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PROYECTO FIN DE CARRERA AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH Presentado por DAVID FERNANDO SANJUAN Dirigido por JOSÉ LUIS NUÑEZ BRUIS Ingeniería Industrial. Departamento de Ingeniería Mecánica. ESCUELA DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA Zaragoza, Junio de 2012 En primer lugar, me gustaría expresar mi más sincero agradecimiento al Director de este proyecto, Don José Luis Nuñez Bruis, que sin sus consejos y anotaciones este proyecto no podría haber sido realizado. Su ayuda ha sido de vital importancia para la realización de este proyecto y siempre le estaré eternamente agradecido por todo lo que ha hecho por mí. Agradecer también a todos los profesionales que me han ayudado en la ejecución del proyecto, tanto en la Universidad de Zaragoza, en la Universidad de Linköping y en ITA. Y en especial agradecer a Don José Sánchez Cid por su colaboración. Por último, quiero agradecer a mis amigos, compañeros de carrera y familiares por su apoyo durante todos estos años de estudio y dedicación. ZARAGOZA, Julio de 2012 David Fernando Sanjuan RESUMEN Este proyecto fin de carrera se ha realizado dentro del Departamento de Diseño de Máquinas de la Universidad de Linköping. Bangladesh es un país superpoblado localizado en el sur este asiático. Gran parte de la población vive en pequeños poblados aislados en zonas rurales, donde no tienen acceso a la red eléctrica local, la intención del proyecto es proporcionar energía eléctrica a estos poblados a través de la carga de baterías. Para ello se diseña un aerogenerador de bajo coste capaz de satisfacer la demanda local. Se abarcan distintos ámbitos y áreas de la ingeniería en la ejecución del proyecto. En primer lugar se trata la conversión energética, como conseguir energía eléctrica a partir del viento. Tras realizar un estudio acerca de las condiciones climáticas de lugar y las necesidades eléctricas de la zona, es necesario elegir el tipo de aerogenerador que mejor se adapte a estas necesidades, eligiéndolo siempre desde el punto de vista económico. Otro de los ámbitos a tratar es el diseño y calculo de estructuras, una vez elegido el aerogenerador se debe alzar hasta cierta altura para lo que se diseña una estructura capaz de hacer frente a las posibles situaciones adversas del lugar, en la que se utilizan materiales locales. El diseño de maquinas tiene un papel importante en el proyecto ya que se deben de diseñar diferentes componentes y ensamblajes que unan la estructura y el aerogenerador, además de componentes que ayuden a la instalación a funcionar correctamente y aumentar su rendimiento. Por último se trata la distribución eléctrica. Se decide cual va a ser la forma en la que la energía eléctrica llegará a los diferentes hogares, pensándolo siempre desde el ahorro económico. Índice general 1. Introducción……………………………………………………………………………………………………..1 1.1. Introducción……………………………………………………………………………………….…1 1.2. Objetivos……………………………………………………………………………………..……….2 1.3. Descripción del proyecto……………………………………………………………..……….2 2. Aerogeneración………………………………………………………………………………………..………5 2.1. Principios físicos de la conversión de energía eólica……………………..………5 2.1.1. Potencia captada por resistencia……………………………………………..……..8 2.1.2. Potencia captada por sustentación………………………………………………….9 2.2. Tipos de aerogeneradores…………………………………………………………………..11 2.2.1. Rotores de eje vertical…………………………………………………………………..11 2.2.2. Rotores de eje horizontal………………………………………………………………12 3. Turbomáquina………..………………………………………………………………………................15 3.1. Introducción……………………………………………………………………………………….15 3.2. El viento en Bangladesh………………………………………………………………………15 3.3. Demanda eléctrica………………………………………………………………………………17 3.4. Tobera…………………………………………………………………………………………………18 3.5. Elección de la turbomáquina……………………………………………………………….20 3.6. Elementos auxiliares………………………………………………………………………….25 3.6.1. Eje central……………………………………………………………………………………..25 3.6.2. Poste superior……………………………………………………………………………….26 3.6.3. Conjunto tobera……………………………………………………………………………27 3.6.4. Conjunto veleta…………………………………………………………………………….28 4. Estructura……………………………………………………………………………………………………….29 4.1. Introducción……………………………………………………………………………………….29 4.2. Torre…………………………………………………………………………………………………..29 4.2.1. Bambú…………………………………………………………………………………………..30 4.2.2. Estructuras verticales……………………………………………………………………32 4.2.3. Método de análisis………………………………………………………………………..32 4.2.4. Diferentes configuraciones de bambú…………………………………………..33 4.2.5. Configuración final………………………………………………………………………..36 4.3. Unión superior…………………………………………………………………………………….37 5. Distribución eléctrica………………………………………………………………………………………39 5.1. Esquema general…………………………………………………………………………………39 5.2. Generador eléctrico……………………………………………………………………………40 5.3. Regulador de baterías…………………………………………………………………………40 5.4. Batería………………………………………………………………………………………………..41 5.4.1. Funcionamiento…………………………………………………………………………….41 5.4.2. Tipos de baterías de media y alta capacidad………………………………….42 5.4.3. Elección de la batería…………………………………………………………………….45 5.5. Cargas de protección…………………………………………………………………………..45 5.6. Inversor………………………………………………………………………………………………46 6. Conclusiones y líneas futuras………………………………………………………………………….47 6.1. Conclusiones relativas al diseño y dimensionado del aerogenerador….47 6.2. Líneas futuras……………………………………………………………………………………..48 6.3. Conclusiones personales…………………………………………………………………….49 A. Diferentes aerogeneradores comerciales……………………...……………………………..51 A.1. Introducción………………………………………………………………………………………..51 A.2. Stealthgen D400 Wind Turbine……………………………………………………………52 A.3. YWS-500 Wind Luce Wind Turbine………………………………………………………53 A.4. Australia 600W Wind Turbine...…………………………………………………………..54 A.5. Ampair 600 Wind Turbine……………………………………………………………………55 A.6. Windsave WS1200 Wind Turbine………………………………………………………..56 A.7. Honeywell WT6500 Wind Turbine……………………………………………………….57 A.8. Air Dolphin 1KW Wind Turbine……………………………………………………………58 A.9. FuturEnergy 1KW Wind Turbine………………………………………………………….59 A.10. WINDCore 1500…………………………………………………………………………………..60 A.11. Samrey Mistral Wind Turbine……………………………………………………………..61 A.12. Aerodyne Lakota Wind Turbine…………………………………………………………..62 A.13. Whisper 100 Wind Turbine………………………………………………………………….63 A.14. Antaris 1.7KW Wind Turbine……………………………………………………………….64 B. Dimensionado ensamblaje superior……………………………………………………………….65 B.1. Dimensionado viga soporte de tobera…………………………………………………65 B.2. Dimensionado viga soporte de veleta……………………………………………….…67 C. Análisis de flujo en la tobera………………………………………………………………………..…71 C.1. Análisis de flujo……………………………………………………………………………………71 C.2. Distribución en coordenada…………………………………………………………………72 C.3. Resultados…………………………………………………………………………………………..73 D. Análisis de la torre………………………………………………………………………………………….75 D.1. Análisis estructural………………………………………………………………………………75 D.2. Análisis de material……………………………………………………………………………..81 E. Análisis unión superior……………………………………………………………………………………83 E.1. Análisis estructural de los brazos………………………………………………………...83 E.2. Análisis estructural de las cañas de bambú………………………………………….84 F. Elección del rodamiento…………………………………………………………………………………87 F.1. Elección del rodamiento………………………………………………………………………87 Referencias………………………………………………………………………………………………………….89 AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 6 Figura 2.1: Evolución de un flujo de viento a su paso por el aerogenerador [1] El flujo de viento a su paso por el aerogenerador reduce su velocidad, que hace aumentar su área, como se deduce de la ecuación de continuidad, la cual hace mantener el flujo de aire constante, donde A1 y v1 son el área y la velocidad del flujo antes de su paso por el aerogenerador y A2 y v2 el área y la velocidad del flujo una vez ha dejado atrás el aerogenerador. La potencia mecánica que puede convertir el aerogenerador corresponde a la diferencia de potencia antes y después del paso del flujo de viento a través de las palas del aerogenerador: Donde reorganizando ayudándonos de la ecuación de continuidad se obtiene: La máxima potencia extraída se daría cuando la velocidad tras las palas fuese cero, lo cual no tendría sentido físico, por lo que es necesario encontrar el ratio v2/v1 que permita obtener la máxima potencia. Se requiere una ecuación mas, la ley de conservación del momento, es decir la fuerza que ejerce el viento: Por lo que la potencia: AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 7 Siendo v’ la velocidad del viento a su paso a través de las palas. Igualando las dos expresiones de la potencia, se obtiene la siguiente relación de velocidades: (10) Donde ahora el flujo másico es: Y la potencia extraída del viento: Considerando la potencia máxima del viento: Se puede definir un ratio entre ellos, la relación entre la potencia mecánica extraída y la potencia máxima del aire, el coeficiente de potencia, CP [1]. Donde el máximo coeficiente de potencia se da para el ratio , el cual proporciona el siguiente coeficiente de potencia, también llamado Límite de Betz en honor al científico que desarrollo esta teoría: (15) En la figura 2.2 se muestra la evolución del coeficiente de potencia para los diferentes ratios de velocidades. AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 8 Figura 2.2: Evolución del coeficiente de potencia [1] 2.1.1. Potencia captada por resistencia En este tipo de generación la potencia se debe al arrastre que ejerce el viento sobre una superficie. Como se aprecia en la figura 2.3 el viento incide sobre la semiesfera y hace que la semiesfera experimente una fuerza de arrastre D, y se desplace con velocidad v. Figura 2.3: Semiesfera arrastrada por el viento El arrastre se expresa como: AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 9 Donde la velocidad relativa, Vr = (V1 – v), siendo V1 la velocidad del viento y v la velocidad con la que se mueve el cuerpo arrastrado, A el área proyectada por el cuerpo y CD el coeficiente de resistencia. Así que la potencia obtenida se expresa como: Por lo que el coeficiente de potencia: Derivando respecto a x e igualando a cero para obtener el máximo coeficiente de potencia, el cual se da en , y teniendo en cuenta que el coeficiente de resistencia máximo que se pude obtener, CD, el cual es entorno a 1.3 el coeficiente de potencia máximo será: Este valor de coeficiente de potencia máximo está muy por debajo del límite de Betz, por eso no se utilizan aerogeneradores de este tipo. 2.1.2. Potencia captada por sustentación Para considerar la potencia captada por sustentación se toma una sección de pala, donde la fuerza que hace girar la pala es: AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 10 Figura 2.4: Fuerzas y velocidades sobre la pala En la figura 2.4 se aprecian las fuerzas que aparecen en la pala, así como las velocidades. Donde L es la fuerza de sustentación (lift), D la fuerza de arrastre (drag), y φ el ángulo de la velocidad relativa: La potencia captada será , con el coeficiente de potencia será: En este caso el coeficiente de potencia varía con x, es decir con las velocidades, pero también depende de α, ángulo de ataque, y de CL (coeficiente de sustentación) y CD, por lo que para obtener la variación del coeficiente de potencia en función de un parámetro, hay que fijar otros. Este tipo de aerogeneradores proporcionan un coeficiente de potencia más alto, y por ello son los usados en la actualidad [2]. Por último es muy común expresar el coeficiente de potencia de un aerogenerador en función de su tip-speed ratio, λ, donde , siendo ω la velocidad angular del aerogenerador y R el radio de las palas, como se muestra en la figura 2.5. AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 11 Figura 2.5: Grafica Cp-λ [1] 2.2. Tipos de aerogeneradores Hay muchas formas de convertir la energía cinética del aire en trabajo mecánico, la clasificación más utilizada es según la dirección del eje del rotor (horizontal y vertical), aunque también se pueden clasificar según su función aerodinámica (resistencia y sustentación). Las diferencias entre resistencia y sustentación han sido mostradas antes, mientras que ahora se comparan los rotores verticales y horizontales. 2.2.1. Rotores eje vertical Se caracterizan porque el eje de rotación del rotor es vertical, y son los más antiguos. Distinguimos actualmente 3 tipos diferentes, cada uno se basa en un principio distinto, los cuales están representados en la figura 2.6. AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 12 Fig 2.6: Diferentes conceptos de aerogeneradores con eje vertical [1] Cada uno de ellos trabaja de manera distinta. El rotor Savonius capta potencia a traves de la resistencia generada por sus palas, este concepto fue el mas antiguo. Con el tiempo, se desarrollaron otro tipo de rotores de eje vertical, como el rotor Darrieus, donde las palas giran sobre su eje de revolución, este tipo de rotores son mas eficientas ya que trabajan por sustentación. Por ultimo los rotores H, los cuales también trabajan por sustentación, poseen la ventaja de poder variar el ángulo de ataque de sus palas, con lo que controlan la velocidad de giro, ventaja que no poseen los rotores anteriores. Las ventajas de este tipo de aerogeneradores son: - Diseño simple - No es necesario orientarlos Mientras que sus inconvenientes: - Poseen un bajo tip-speed ratio, es decir una baja velocidad de rotación - No se puede controlar la velocidad de rotación mediante la variación del ángulo de ataque (excepto en el rotor H) 2.2.2. Rotores eje horizontal Se caracterizan porque el eje de rotación del rotor es horizontal, aunque difieren entre ellos en muchos aspectos como el número de palas. Este aspecto es fundamental en el diseño del aerogenerador, ya que un mayor número de palas proporcionará un momento mayor en el eje, y menor velocidad de rotación, lo que favorecerá que el rotor arranque antes y sean buenos en el caso de necesitar trabajo mecánico, como es el caso de los rotores multipala americanos, diseñados para bombear agua [1]. AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 13 Por el contrario, en la generación eléctrica se usan diseños con menos palas para que la velocidad de rotación sea mayor. Distinguimos entre hélices de una, dos y tres palas: - Hélice una pala: este tipo de hélice requiere un contrapeso que compense la pala, son mas económicas, pero hay dificultades debido a las vibraciones, por lo que no son muy utilizadas. - Hélice dos palas: Son más económicas que las de tres palas, pero más sensibles a vibraciones que ellas, se ilustra en la figura 2.7. - Hélice tres palas: este tipo de hélice proporciona mayor suavidad en su funcionamiento, por lo que son las más utilizadas en la actualidad. Figura 2.7: Aerogenerador eje horizontal bipala [1] Los aerogeneradores de eje horizontal son muy superiores a los de eje vertical debido a: - La velocidad del rotor; ya que puede ser controlada según el ángulo de ataque de las palas, pudiendo variarse este para proteger al aerogenerador contra vientos excesivos. - La forma de la pala; puesto que puede ser optimizada aerodinámicamente. Aunque también tienen inconvenientes como son: - Es necesario un sistema de orientación. - Ante vientos excesivos es necesario parar su funcionamiento para evitar problemas estructurales. AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 15 Capítulo 3 Turbomáquina 3.1. Introducción Este apartado pretende proyectar un conjunto turbomáquina el cual sea capaz de proporcionar una potencia eléctrica suficiente para satisfacer la demanda eléctrica de un poblado rural. Para ello es necesario realizar un estudio acerca del viento disponible en la zona, así como conocer la demanda de electricidad. Una vez conocidos estos datos, el objetivo es encontrar una turbomáquina la cual ayudada por un ensamblaje sea capaz de satisfacer la demanda. 3.2. El viento en Bangladesh Las condiciones climatológicas en Bangladesh no son las óptimas para la implementación de aerogeneradores dada la escasa velocidad de su viento. La media anual varía en función de la altitud y la localización y se encuentra entre unos valores promedio de 1.73 m/s y 4.17 m/s, registrandose los máximos en Kuakata, mientras que los valores mínimos se dan en Khagrachari. AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 22 Las especificaciones del aerogenerador son las siguientes [6]: - Potencia Nominal: 1KW - Velocidad de arranque: 2m/s - Velocidad inicio actividad: 3.8m/s - Velocidad máxima soportada: 50m/s - Diámetro del rotor: 1.8m - Número de palas: 5 - Tipo de generador: Imanes permanentes de 3 fases (rectificado a CC en el interior de la turbina) - Peso: 22kg - Diámetro del poste vertical: 5cm La tabla 2 recoge la actuación del aerogenerador a diferentes velocidades de entrada. Así como las figuras 3.8 y 3.9 muestran la curva de potencia y la eficiencia del aerogenerador. Tabla 2: Tabla de actuación del aerogenerador [15] AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 23 Figura 3.8: Curva de Potencia [15] Figura 3.9: Eficiencia del aerogenerador [15] AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 24 En consecuencia, a la vista de estos datos y teniendo en cuenta la distribución frecuencial de velocidades (considerando la localidad de Kuakata) se puede hacer una aproximación de la energía eléctrica que el aerogenerador proporcionará, representada en la tabla 3. Con Tobera Sin Tobera Vel. Entrada Vel. Salida Frecuencia Potencia kWh Potencia kWh 0 0 1.5 0 0 0 0 0.5 0.6 1.5 0 0 0 0 1 1.2 3.2 0 0 0 0 1.5 1.9 5.6 0 0 0 0 2 2.5 9 0 0 0 0 2.5 3.5 12 42 5.04 0 0 3 4.3 12.5 74 9.25 0 0 3.5 5.3 12 110 13.2 42 5.04 4 6.2 9 200 18 60 5.4 4.5 7.1 6.3 300 18.9 74 4.662 5 7.8 5 414 20.7 110 5.5 5.5 8.7 4 560 22.4 140 5.6 6 9.5 3.7 700 25.9 180 6.66 6.5 10.3 3.4 800 27.2 220 7.48 7 10.8 3 900 27 290 8.7 7.5 11.7 2.5 1000 25 360 9 8 12.5 1.5 1132 16.98 414 6.21 8.5 13.3 1.2 1250 15 500 6 9 14.2 3.1 1472 45.632 600 18.6 suma 100 290.202 88.852 Tabla 3: Actuación del aerogenerador con y sin tobera Según estos datos, el aerogenerador proporcionará una potencia media diaria de 290.2W, lo que implica que al año generará 2.542MWh de energía eléctrica media, energía suficiente para satisfacer la demanda anual media del poblado que sería de 1.843MWh. Además estos datos justifican la presencia de la tobera, con la que se obtiene mas de 3 veces la energía eléctrica que se obtendría sin ella. AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 25 3.6. Elementos auxiliares Estos elementos son los encargados de ajustar tanto la tobera como el aerogenerador en la posición indicada, haciendo que todo este equilibrado y funcione correctamente. Todos los elementos ensamblados los recoge la figura 3.10. Figura 3.10: Vista del conjunto final (cotas en mm) 3.6.1. Eje central Su función es fijar todos los elementos respecto al eje. En él se insertan los diferentes conjuntos de elementos para que todo funcione adecuadamente y esté nivelado. El eje central se acopla a la estructura por la parte inferior de este. La estructura es de revolución y permite el giro del conjunto respecto del eje, para que todo el conjunto se oriente en función de la dirección del viento. El eje tiene dos aberturas a los lados en las cuales se introducen las barras que soportan la tobera y la veleta. En la parte superior, se encuentra una abertura de sección cuadrangular donde se inserta el conjunto que soporta el aerogenerador, todo esto se observa en las figuras 3.11 y 3.12. AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 26 Figuras 3.11 y 3.12: Diferentes vistas del eje central (cotas en mm) El elemento que hace girar el eje de la pieza es un rodamiento axial de rodillos cilindricos, el cual irá acoplado a la estructura, uniendo el eje con ella y permitiendo el giro. Los datos del rodamiento se especifican en el apéndice F. 3.6.2. Poste superior El poste superior tiene la función de unir el aerogenerador con la estructura y mantener el eje horizontal del rotor a la altura adecuada, es decir al nivel del eje horizontal de la tobera. Por ello la parte superior es cilindrica, de diámetro 50mm para introducirse en el interior del tubo que soporta al aerogenerador (que viene de serie). Tras esta inserción, la unión se suelda para que el aerogenerador este orientado correctamente, mientras que la inferior es un prisma cuadrangular que encaja y se orienta adecuadamente en el eje central. El poste superior se ve en la figura 3.13. AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 27 Figura 3.13: Vista del poste superior 3.6.3. Conjunto tobera La tobera, como se mencionó en apartados anteriores, está diseñada en chapa de aluminio, de espesor 0.5mm. Sin embargo, el soporte son tubos de acero, todos con la misma sección: 26.9mm de diámetro y 2mm de espesor. La sección elegida lo ha sido con el fin de reducir el peso manteniendo su función estructural. La estructura consiste de 3 anillos, de diámetros 3.8m, 2.6m y 2m, unidos entre sí por 4 tubos, dispuestos a 90o unos de los otros siguiendo el eje horizontal de la tobera. Estos anillos están unidos a la barra por 4 tubos, soldados en ambos extremos, y en las posiciones mostradas en las figuras 3.14 y 3.15. Figuras 3.14 y 3.15: Diferentes vistas del conjunto tobera (cotas en mm) AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 28 La barra que soportará la tobera es una barra de sección rectangular (150mm x 100mm) y 6mm de espesor. El Apéndice B incluye los cálculos justificativos de este elemento estructural. La longitud de la barra es de 4.2m. En los primeros 3m se soporta la tobera y los últimos 20cm están incrustados en el eje central. 3.6.4. Conjunto veleta Este conjunto tiene 2 funciones: hacer de veleta para orientar el aerogenerador en la dirección del viento; y contrarestar el momento del conjunto tobera ejercido en el eje central para minimizar el momento resultante en este, e intentar igualarlo a cero, para que el conjunto final sea lo mas estable posible. Este conjunto se inserta en el eje central de la misma forma que el conjunto tobera. La barra que soporta la veleta tiene la misma sección que la barra del conjunto tobera. Posee 3.2m de longitud de los que 0.2m estan incrustados en el eje. Adicionalmente, se disponen varias pletinas verticales soldadas a esa barra, con la función de sostener la veleta mediante uniones atornilladas, como se aprecia en la figura 3.16. La veleta es de madera, siendo dimensiones las adecuadas para equilibrar el conjunto final. Figura 3.16: Vista del conjunto veleta (cotas en mm) AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 29 Capítulo 4 Estructura 4.1. Introducción Tras la elección de la turbomáquina y el diseño de los componentes auxiliares al mismo, es necesario diseñar la estructura que permita al aerogenerador alcanzar los 30m de altura necesarios para poder aprovechar un viento superior. El diseño de la estructura consta de 2 apartados: la torre, donde se hablará de los materiales utilizados, así como las diferentes configuraciones utilizadas y el método de análisis; y la unión entre torre y aerogenerador, donde se explicarán el diseño y los componentes utilizados. No se diseña cimentación pues no se conocen las características de los terrenos donde se implementaran estos aerogeneradores. 4.2. Torre Dada la naturaleza de este proyecto, el cual debe realizarse con un coste sostenible y construirse “in situ” y por trabajadores locales, hay que estudiar la forma de construcción local. Hablar de construcción en Bangladesh es hablar de bambú, y lo es más todavía en las zonas menos desarrolladas. El bambú es una forma de vida para la población: construyen sus casas con él, fertilizan sus campos con sus cenizas, duermen en colchones hechos de ramitas e incluso se alimentan de jóvenes brotes. Por ello, se estudiará el diseño de una torre construida con bambú. Por otra parte, en caso de que la torre de bambú no tenga unas buenas prestaciones, se planteará el diseño comparativo con una torre de acero. AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 30 4.2.1. Bambú El bambú es el nombre de una subfamilia de plantas que pertenecen a la familia de las gramíneas, una de las familias botánicas más extensas en importantes para el hombre. Los hay de diferentes tamaños: pueden ser plantas pequeñas de menos de 1m de largo y medio cm de diámetro, aunque también los hay gigantes de unos 25m de alto y 30cm de diámetro [7]. Es un recurso sostenible forestal muy importante en zonas de bajos recursos, y dada su alta resistencia y flexibilidad se le conoce como el acero vegetal, de ahí que sea tan usado en construcción. Crece en países cercanos al ecuador, con altas precipitaciones, localizándose principalmente en América central y del sur, en el sur de África y en el sur asiático. Su consumo en Bangladesh aumenta año a año con una proyección de la demanda para el año 2013 de 901.5 millones de cañas, de las cuales el 80% proviene de bosques locales [8]. Hay 33 especies diferentes de bambú en el país, cada una de diferentes dimensiones y propiedades, lo que permite llegar a construir multitud de objetos de diferentes medidas y dimensiones [9]. En cuanto a las uniones entre cañas, también hay multitud de tipologías, pero las utilizadas en esta estructura son las uniones atadas entre varias barras, las cuales pueden considerarse cuasi rígidas, dada la poca elasticidad de la cuerda, como puede observarse en las figuras 4.1 y 4.2. Figuras 4.1 y 4.2: Diferentes formas de unión entre cañas de bambú. [8] AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 31 Dado que para la construcción de esta estructura son necesarias cañas grandes y muy resistentes, de acuerdo con los recursos locales disponibles en Bangladesh se propone la utilización de dos especies diferentes: - Bambusa Bambos: la cual llega a alcanzar los 30 m de altura, posee un diámetro de entre 15 y 18 cm y un espesor de 3.4 cm en la base y 4 mm en la punta. - Dendrocalamus Giganteus: con una altura de entre 24 y 30 m, diámetro entre 20 y 30 cm y un espesor de 2 cm en la base y 5 mm en el extremo superior. Se decide utilizar bambú Dendrocalamus Giganteus para los postes verticales y bambú Bambusa Bambos para las uniones horizontales y diagonales. De esta manera el poste vertical tiene un mayor momento de inercia y los horizontales y verticales tienen mayor espesor. [10][11[12][13] La tabla 4 muestra las propiedades mecánicas de estas especies: Dendrocalamus Giganteus Bambusa Bambos Densidad 0.74 g/cm3 0.71 g/cm3 Resistencia Máxima Tracción 177 MPa 121 MPa Resistencia Máxima Compresión 70 MPa 61 MPa Resistencia Máxima Cizalladura 10.6 MPa 9.9 MPa Resistencia Máxima Flexión 193 MPa 143 MPa Modulo Young Longitudinal 17 GPa 17GPa Modulo Young Radial 14 GPa 14 GPa Tabla 4: Propiedades mecánicas del bambú Una de las características de este material es su ortotropía, es decir posee diferentes propiedades mecánicas en sus diferentes dimensiones. Esta es una característica muy importante del material, ya que hay que considerar diferentes módulos de Young en función de la dirección, en este caso en la dirección longitudinal posee un módulo elástico y en el resto de direcciones posee otro. Este factor será muy importante a la hora de simular la estructura, pues será necesario utilizar un software que simule estructuras de barras ortótropas. AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 38 Figura 4.9 Componente del brazo extensible (cotas en mm) La pieza restante es un cilindro hueco con rosca hembra en su interior, de modo que la unión roscada de estos tres componentes forma el brazo extensible. Llegados a este punto, una vez diseñados los componentes es necesario analizar su comportamiento, analizamos los brazos y la resistencia de las cañas de bambú, ambos análisis se muestran en el apéndice E, Donde se comprueba que ambos elementos trabajan correctamente. AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 39 Capítulo 5 Distribución Eléctrica 5.1. Esquema general Una vez dimensionado el aerogenerador, los ensamblajes auxiliares y la estructura, es momento de proyectar el sistema de distribución eléctrica que se utilizará. En este caso, dado que el objetivo es el suministro eléctrico en pequeños poblados, se propone un sistema de distribución para estaciones tipo isla, como el representado en la figura 5.1, ya que los elementos que lo componen son fáciles de encontrar, además de ser baratos y robustos. Figura 5.1: Esquema de distribución El sistema consta de los siguientes elementos: - Generador Eléctrico/Rectificador - Regulador de Baterías - Baterías - Carga de Protección - Inversor AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 40 En este sistema de distribución la energía eléctrica generada por el aerogenerador es rectificada y transformada a corriente continua a 48V. La corriente tiene el propósito de cargar baterías, donde el proceso está controlado por un regulador que impide que estas se carguen en exceso. Adicionalmente incluye una carga de protección, dispositivo que solo actuará cuando se dé un exceso de energía y las baterías no sean capaces de absorberla, activándose para disiparla en forma de calor. Posteriormente las baterías se trasladan al lugar de consumo, donde mediante un inversor la corriente continua se transforma en corriente alterna, 230V y 50Hz, para su uso domestico. También es necesario un regulador de baterías que impida la carga y descarga completa de las mismas. 5.2. Generador eléctrico El generador eléctrico es el aerogenerador, está incluido en él, y proporciona una tensión prácticamente constante a diferentes intensidades eléctricas en función de la velocidad del viento, tal como muestra la tabla 6. Tabla 6: Tabla de actuación del aerogenerador [15] 5.3. Regulador de baterías Se encarga de regular la energía absorbiendo los excesos y suministrando los déficits que tenga. Estará dimensionado en función de la potencia máxima de aerogenerador, en este caso 1,5kW. La distribución se realiza a 48V ya que a este voltaje nominal se aumenta la eficacia del aerogenerador. El aparato debe de estar regulado en función del estado de carga (SOC), ya que para asegurar una larga vida de las baterías estas no deben de descargarse por debajo del 20% y no deben cargarse por encima del 80% de capacidad. AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 41 Por lo que en esta instalación serán necesarios dos reguladores, uno de ellos en el lugar de la carga, el cual impida a la batería cargarse por encima del 80% de su capacidad, y el otro en el poblado, el cual impida que la batería se descargue por debajo del 20% de su capacidad. De esta forma se duplica o triplica la vida de la batería. 5.4. Batería 5.4.1. Funcionamiento Las baterías son dispositivos dedicados al almacenamiento de energía eléctrica, se encargan de convertir la energía eléctrica en energía química y viceversa. De esta forma es posible almacenar energía eléctrica en forma de energía química y utilizarla en el momento requerido. La unidad básica de la batería es la celda, pudiendo estar formada por varias celdas en serie o en paralelo con el fin de alcanzar la tensión y capacidad requerida. La celda funciona según un proceso de reacciones químicas de oxidación (liberación de electrones) y reducción (captación de electrones). Está compuesta por 4 elementos: el ánodo o electrodo negativo, es el elemento que se oxida y aporta electrones al circuito exterior; el cátodo o electrodo positivo, es el elemento que se reduce aceptando electrones del exterior; el electrolito, el cual es un conductor iónico que permite la transferencia de electrones en el interior de la celda; y el separador, un elemento que proporciona aislamiento eléctrico entre electrodos y permite libre circulación de iones a través del electrolito, como se observa en la figura 5.2 [16]. Figura 5.2: Elementos básicos de una batería [16] AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 42 Durante la carga ocurren los mismos procesos electroquímicos debido a la reversibilidad de las reacciones redox, en ese caso el cátodo se comporta como ánodo y viceversa. 5.4.2. Tipos de baterías de media y alta capacidad 5.4.2.1. Baterías de Pb-Ácido Las baterías de plomo-ácido constituyen una parte muy importante en el mercado mundial de baterías, en torno al 50%, dado que es la tecnología más conocida y tiene un precio bajo. Se utiliza dióxido de plomo como electrodo positivo y plomo metálico de estructura porosa como electrodo negativo. El electrolito es ácido sulfúrico diluido en material acuoso, y la reacción redox completa es: Esta batería presenta ventajas: - Alta tensión por celda, 2V/celda, lo que reduce el número final de celdas - Suministra bien ante picos de corriente altos - Buen grado de reversibilidad del proceso electroquímico de carga y descarga - Fácil reciclado Mientras que sus inconvenientes son: - Peso excesivo - Baja energía especifica (30Wh/kg) - No admite sobrecargas ni recargas profundas - Corta vida cíclica (entre 500 y 600 ciclos) - No acepta una carga rápida 5.4.2.2. Baterías de Ni-Cd Las baterías de níquel cadmio están consolidadas en el mercado, aunque con una cuota inferior a las de Pb-Ácido. El cátodo está compuesto de hidróxido de níquel, mientras que el ánodo está compuesto de cadmio. El electrolito es hidróxido de potasio, donde la reacción redox es: AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 43 Desde el punto de vista funcional las baterías de Ni-Cd superan a las de Pb-Ácido, y poseen ventajas como: - Mayor energía especifica, 50Wh/kg - Larga vida cíclica, en torno a 1500 ciclos - Robustez - Gran fiabilidad Y tiene inconvenientes como: - Precio elevado (el doble que las de Pb-Ácido) - El cadmio es un material muy contaminante - Baja tensión nominal de celda, 1,2V/celda 5.4.2.3. Baterías de Ni-Hidruro Metálico Las baterías de níquel-hidruro metálico constituyen una tecnología de batería cada vez más consolidada en el mercado aunque no tan establecida como las anteriores. El ánodo de esta batería está formado por hidróxido de níquel y el cátodo es una aleación de hidruro metálico, mientras que el electrolito es hidróxido de potasio, donde la reacción redox global es: Posee unas características similares a las baterías de Ni-Cd, con ventajas: - Elevada potencia, energía y densidad especifica - Menos contaminante que el cadmio Por el contrario sus inconvenientes: - Alto precio - Poca disponibilidad en el mercado, no se producen de forma masiva - Alta auto descarga - Mal funcionamiento a altas temperaturas 5.4.2.4. Baterías de Ni-Fe Las baterías de níquel-hierro se comercializaron durante los primeros años del siglo pasado. Estas baterías usan níquel como electrodo positivo y hierro como electrodo negativo, donde el electrolito es hidróxido de potasio. AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 44 Sus principales ventajas son: - Bajo coste - Fácil fabricación - Admiten sobrecargas - Larga vida útil Y su principal desventaja es la baja eficiencia, en torno al 65% 5.4.2.5. Baterías de Li-Ion Son unas de las baterías que más se están desarrollando en el presente, usando materiales ligeros y con altas densidades de energía, están perfectamente consolidadas como baterías de pequeña capacidad, por el contrario no lo están en media y alta capacidad. En estas baterías el ánodo es de grafito y el cátodo puede ser oxido de cobalto, trifilina (LiFePO4) u oxido de manganeso. Sus ventajas son: - Alta tensión por celda, 4V/celda - Alta energía, potencia y densidad especificas, debido a la ligereza del material Y sus desventajas: - Muy vulnerable a sobrecargas y descargas - Disponibilidad muy limitada para capacidades medias/altas - Se necesita un control muy preciso Se agrupan las características de las anteriores baterías en la tabla 7. Tipo Pb-Ácido Ni-Cd Ni-MH Ni-Fe Li-Ion Tensión Nominal (V/celda) 2 1,2 1,2 1,2 4 Energía Especifica (Wh/kg) 40 60 90 40 140 Potencia Especifica (W/kg) 150-300 80-150 200-300 100 420 Densidad Especifica (Wh/l) 80 95 150 30 290 Coste (€/KWh) 120-150 250-350 300-450 - - Tiempo Carga (h) 8-16 10-14 2-4 4-8 2-4 Vida (ciclos) 500-600 >1500 >1200 >10000 4000 Tabla 7: Características de las diferentes baterías AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 45 5.4.3 Elección de la batería Acorde con estos datos y considerando que la demanda eléctrica diaria es de unos 5.05KWh, y los picos de potencia alcanzan los 1.2KW, la mejor elección en este caso es la más barata, pues aunque quizá no sea la más efectiva, es la más rentable. Teniendo en cuenta que la batería va a operar en todo momento entre el 20% y el 80% de su capacidad, debería de almacenar 10KWh. Por lo que se propone el uso de dos baterías de 250kg de Pb-ácido. Las cuales almacenaran un total de 10KWh cada una, considerando un coste de 120€/KWh, sería un importe aproximado de 1200€ cada una. Además podrían soportar picos de potencia de hasta 22.5KW. La elección de estas se debe principalmente a motivos económicos, ya que el uso de otro tipo de batería habría supuesto al menos el doble de coste, por lo que se elige la batería de Pb-ácido, que mediante los reguladores va a aumentar entre dos y tres veces su vida útil. Es necesario el uso de dos baterías. La razón de ello es que mientras una se carga, la otra está en un uso, con una previsión de funcionamiento de 24 horas. Las baterías se cambian en los periodos del día donde no hay consumo. Y en caso de que la batería no esté cargada lo suficiente debido a la poca velocidad del viento ese día, se cuenta con el generador eléctrico el cual se está usando actualmente para cubrir esos periodos de demanda. 5.5. Cargas de protección Es un elemento importante dentro del sistema de distribución ya que su función es impedir la destrucción de la batería ante excesos de energía. La carga de protección actuaría en los casos de viento extremo que pudiesen provocar un exceso de energía que aumentara la corriente máxima permitida por las baterías. Para ello se utiliza un relé, el cual desvíe los excesos a la carga de protección durante estos periodos de tiempo transitorios. Como carga de protección podrían usarse varios elementos, desde resistencias a motores, pero se elige un banco de resistencias dado su coste inferior. AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 46 5.6. Inversor Es el elemento encargado de cambiar un voltaje de entrada de corriente continua a un voltaje simétrico de salida de corriente alterna, con la magnitud deseada. En este caso se utilizaría uno que pasara de 48V de corriente continua a 230V de corriente alterna a 50Hz. La potencia del mismo debería de soportar los picos eléctricos de consumo, los cuales son de 1.2KW, por lo que se elegiría un inversor de 2KW. AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 47 Capítulo 6 Conclusiones y Líneas Futuras 6.1. Conclusiones relativas al diseño y dimensionado del aerogenerador Para la ejecución del presente PFC ha sido necesaria una investigación previa que permitiera averiguar las condiciones climatológicas en Bangladesh o la demanda eléctrica de los poblados rurales en el sureste asiático. Además ha sido necesario el diseño de equipamiento auxiliar para la turbomáquina que permitiera aumentar el flujo de viento: en otro caso cualquier aerogenerador comercial habría estado infrautilizado ya que la mayoría de los aerogeneradores comerciales del segmento trabajan a plena carga con velocidades de viento cercanas a los 12m/s. El diseño de la tobera, perteneciente al ensamblaje auxiliar, permite aumentar la velocidad del viento entorno a un 50%, lo que permite obtener 3 veces más potencia eléctrica que en condiciones normales, justificando su instalación, la elección del aerogenerador y la demanda eléctrica. Para aprovechar en mejores condiciones el aerogenerador ha sido necesario instalar el mismo a 30 metros de altura, donde la velocidad del viento aumenta notablemente con respecto a la superficie. Para ello ha sido necesario el diseño de una estructura que alcance esta altura con el menor coste posible, por lo que ha sido diseñada con materiales locales. En este aspecto fue necesaria una investigación acerca de los materiales locales de construcción y las propiedades mecánicas de los mismos, donde se eligieron las especies de bambú: Dendrocalamus Giganteus y Bambusa Bambos. Donde cabe destacar la ortotropía del bambú, por lo que la estructura fue diseñada con un software capaz de tratar este tipo de condiciones mecánicas. AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 54 A.4. Wind Turbines Australia 600W Figura A.7: Imagen del aerogenerador [15] Número de Palas 3 Potencia Nominal 600W Diámetro del Rotor 1.66m Área Barrida 2.16m2 Potencia con viento de 5m/s 75W Eficiencia con viento de 5m/s 45.08% Coste 870€ Voltajes Proporcionados 12V, 24V, 48V Figuras A.8 y A.9: Curva de Potencia y de Eficiencia del aerogenerador [15] AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 55 A.5. Ampair 600 Wind Turbine Figura A.10: Imagen del aerogenerador [15] Número de Palas 3 Potencia Nominal 600W Diámetro del Rotor 1.7m Área Barrida 2.27m2 Potencia con viento de 5m/s 90W Eficiencia con viento de 5m/s 51.58% Coste 1860€ Voltajes Proporcionados 24V, 48V Figuras A.11 y A.12: Curva de Potencia y de Eficiencia del aerogenerador [15] AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 56 A.6. Windsave WS1200 Wind Turbine Figura A.13: Imagen del aerogenerador [15] Número de Palas 3 Potencia Nominal 1200W Diámetro del Rotor 1.75m Área Barrida 2.41m2 Potencia con viento de 5m/s 50W Eficiencia con viento de 5m/s 27.04% Coste 1860€ Voltajes Proporcionados 240V AC Figuras A.14 y A.15: Curva de Potencia y de Eficiencia del aerogenerador [15] AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 57 A.7. Honeywell WT6500 Wind Turbine Figura A.16: Imagen del aerogenerador [15] Número de Palas 10 Potencia Nominal - Diámetro del Rotor 1.8m Área Barrida 2.54m2 Potencia con viento de 5m/s 111W Eficiencia con viento de 5m/s 56.74% Coste 4750€ Voltajes Proporcionados 120V, 240V AC Figuras A.17 y A.18: Curva de Potencia y de Eficiencia del aerogenerador [15] AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 58 A.8. Air Dolphin 1kW Wind Turbine Figura A.19: Imagen del aerogenerador [15] Número de Palas 3 Potencia Nominal 1KW Diámetro del Rotor 1.8m Área Barrida 2.54m2 Potencia con viento de 5m/s 100W Eficiencia con viento de 5m/s 50.35% Coste 7450€ Voltajes Proporcionados 24V Figuras A.20 y A.21: Curva de Potencia y de Eficiencia del aerogenerador [15] AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 59 A.9. FuturEnergy 1kW Wind Turbine Figura A.22: Imagen del aerogenerador [15] Número de Palas 5 Potencia Nominal 1KW Diámetro del Rotor 1.8m Área Barrida 2.54m2 Potencia con viento de 5m/s 107W Eficiencia con viento de 5m/s 54.7% Coste 1100€ Voltajes Proporcionados 12V, 24V, 48V Figuras A.23 y A.24: Curva de Potencia y de Eficiencia del aerogenerador [15] AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 60 A.10. WINDCore 1500 Figura A.25: Imagen del aerogenerador [15] Número de Palas 5 Potencia Nominal 1500W Diámetro del Rotor 1.89m Área Barrida 2.81m2 Potencia con viento de 5m/s 121.3W Eficiencia con viento de 5m/s 56.24% Coste desconocido Voltajes Proporcionados desconocido Figuras A.26 y A.27: Curva de Potencia y de Eficiencia del aerogenerador [15] AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 61 A.11. Samrey Mistral Wind Turbine Figura A.28: Imagen del aerogenerador [15] Número de Palas 3 Potencia Nominal 1100W Diámetro del Rotor 2m Área Barrida 3.14m2 Potencia con viento de 5m/s 100W Eficiencia con viento de 5m/s 41.41% Coste 1050€ Voltajes Proporcionados 24V, 48V Figuras A.29 y A.30: Curva de Potencia y de Eficiencia del aerogenerador [15] AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 62 A.12. Aerodyne Lakota Wind Turbine Figura A.31: Imagen del aerogenerador [15] Número de Palas 3 Potencia Nominal 1200W Diámetro del Rotor 2.09m Área Barrida 3.43m2 Potencia con viento de 5m/s 30W Eficiencia con viento de 5m/s 11.38% Coste 1250€ Voltajes Proporcionados 12V, 24V, 48V Figuras A.32 y A.33: Curva de Potencia y de Eficiencia del aerogenerador [15] AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 63 A.13. Whisper 100 Wind Turbine Figura A.34: Imagen del aerogenerador [15] Número de Palas 3 Potencia Nominal 900W Diámetro del Rotor 2.1m Área Barrida 3.46m2 Potencia con viento de 5m/s 55.42W Eficiencia con viento de 5m/s 20.81% Coste desconocido Voltajes Proporcionados 12V, 24V, 48V Figuras A.35 y A.36: Curva de Potencia y de Eficiencia del aerogenerador [15] AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 71 Apéndice C Análisis de flujo en la tobera C.1. Análisis de flujo Para la obtención de los datos de velocidad a la salida de la tobera es necesario usar el modulo de CFD de ANSYS, el cual permite el análisis de fluidos. Para ello se diseña la geometría de la tobera y se considera un cuerpo solido en el interior de un flujo en movimiento, en este caso aire a diferentes velocidades. De los cuales obtenemos el flujo de aire en todo el dominio, representado en la figura C.1. El modelo se incluye en el interior de una especie de túnel del viento de 20 metros de longitud y 28 metros de diámetro para asemejarlo lo más posible al ambiente. Figura C.1. Distribución del flujo de viento en todo el dominio AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 72 C.2. Distribución en coordenada El software permite observar la distribución de velocidades en cualquier línea de coordenadas del dominio, para lo que observamos la velocidad a la salida de la tobera. En este caso la figura C.2 muestra la velocidad a la salida cuando la velocidad de entrada a la tobera es de 3m/s. Figura C.2: Distribución de velocidades en línea de coordenadas AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 73 C.3. Resultados Quedando la distribución de todo el dominio de velocidades a la salida de la tobera como: Vel. Entrada (m/s) Vel. Salida (m/s) 0 0 0.5 0.6 1 1.2 1.5 1.9 2 2.5 2.5 3.5 3 4.3 3.5 5.3 4 6.2 4.5 7.1 5 7.8 5.5 8.7 6 9.5 6.5 10.3 7 10.8 7.5 11.7 8 12.5 8.5 13.3 9 14.2 Tabla C.1 AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 75 Apéndice D Análisis de la torre D.1. Análisis estructural En este anexo se muestran los resultados del análisis de estructura para las diferentes configuraciones de torre usada, en función de los dos casos de trabajo. D.1.1. Torre de bambú con sección cuadrada antes condiciones normales D.1.1.1. Material y sección de la viga Todas las barras de la estructura son cañas de bambú, distinguiendo dos especies diferentes: Dendrocalamus Giganteus para los postes verticales; y Bambusa Bambos para el resto de barras. Las secciones son las siguientes: - Dendrocalamus Giganteus: diámetro 200mm y espesor 20mm - Bambusa Bambos: diámetro 170mm y espesor 30mm D.1.1.2. Restricciones Todos los apoyos inferiores de las barras verticales están empotrados D.1.1.3. Cargas - Viento de 6m/s a lo largo de toda la cara lateral de la estructura - 700kg apoyados en la parte superior de la estructura AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 76 D.1.1.4. Resultados Se realiza el análisis estructural de la torre con el software ANSYS MECHANICAL del que se obtienen los siguientes resultados. - Desplazamiento máximo: 1.92 mm - Tensión máxima tracción: 0.36 MPa - Tensión máxima compresión: 0.88 MPa - Tensión máxima Von Mises: 0.88 MPa Figura D.1: Desplazamiento lateral de la torre Figura D.2: Tensiones de tracción y compresión en la torre AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 77 D.1.2. Torre de bambú con sección cuadrada antes condiciones extremas D.1.2.1. Material y sección de la viga Todas las barras de la estructura son cañas de bambú, distinguiendo dos especies diferentes: Dendrocalamus Giganteus para los postes verticales; y Bambusa Bambos para el resto de barras. Las secciones son las siguientes: - Dendrocalamus Giganteus: diámetro 200mm y espesor 20mm - Bambusa Bambos: diámetro 170mm y espesor 30mm D.1.2.2. Restricciones Todos los apoyos inferiores de las barras verticales están empotrados D.1.2.3. Cargas - Viento de 30m/s a lo largo de toda la cara lateral de la estructura D.1.2.4. Resultados Se realiza el análisis estructural de la torre con el software ANSYS MECHANICAL del que se obtienen los siguientes resultados. - Desplazamiento máximo: 42.59 mm - Tensión máxima tracción: 3.82 MPa - Tensión máxima compresión: 4.72 MPa - Tensión máxima Von Mises: 4.72 MPa Figura D.3: Desplazamiento lateral de la torre AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 78 Figura D.4: Tensiones de tracción y compresión en la torre D.1.3. Torre de bambú con sección triangular antes condiciones normales D.1.3.1. Material y sección de la viga Todas las barras de la estructura son cañas de bambú, distinguiendo dos especies diferentes: Dendrocalamus Giganteus para los postes verticales; y Bambusa Bambos para el resto de barras. Las secciones son las siguientes: - Dendrocalamus Giganteus: diámetro 200mm y espesor 20mm - Bambusa Bambos: diámetro 170mm y espesor 30mm D.1.3.2. Restricciones Todos los apoyos inferiores de las barras verticales están empotrados D.1.3.3. Cargas - Viento de 6m/s a lo largo de toda la cara lateral de la estructura - 700kg apoyados en la parte superior de la estructura AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 79 D.1.3.4. Resultados Se realiza el análisis estructural de la torre con el software ANSYS MECHANICAL del que se obtienen los siguientes resultados. - Desplazamiento máximo: 3.5 mm - Tensión máxima tracción: 0.44 MPa - Tensión máxima compresión: 0.99 MPa - Tensión máxima Von Mises: 0.99 MPa Figura D.5: Tensión de Von Mises Figura D.6: Tensiones de tracción y compresión en la torre AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 87 Apéndice F Elección del rodamiento F.1. Elección del rodamiento Se decide el uso de un rodamiento axial de rodillos cilíndricos porque es un rodamiento que absorbe fuerzas elevadas en la dirección axial y permiten el giro. Elegimos el siguiente rodamiento del catalogo de SKF, el cual tiene las siguientes dimensiones y propiedades: - Diámetro exterior: 110mm - Diámetro interior: 85mm - Altura: 19mm - Capacidad de carga estática: 365kN - Capacidad de carga dinámica: 88kN Este rodamiento soportará perfectamente las cargas que actuarán sobre él. Figura F.1: Dimensiones del rodamiento [17] AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 89 Referencias [1] Wind Turbines. Erich Hau [2] Wind Turbine Technology – Fundamental Concepts of Wind Turbine Engineering. ASME Press. New York, 1994. [3] Wind resource assessment for southern part of Bangladesh. M. N. Hoque, S. K. Nandi, H. R. Ghosh. 2010. [4] Mechanical Properties of Bamboo. file://D:\www.bambus\new\eng\reports\mechanical_properties\referat2.html [5] Mechanical properties of structural bamboo for bamboo scaffoldings. K. F. Chung, W. K. Yu. March 2001 [6] http://www.futurenergy.co.uk/turbine.html [7] Wikipedia/Bambusoideae [8] Bamboo Construction Technology for Housing in Bangladesh. Shila K. de Vries, February 2002. [9] Modelling of a Bangladeshi Rural Hut for Wind Tunnel Test. M. A. Ansary, S. M. Seraj, U. K. Roy. February 1999. [10] Mechanical Properties of Bamboo file://D:\www.bambus\new\eng\reports\mechanical_properties\referat2.html [11] Mechanical properties of structural bamboo for bamboo scaffoldings. K. F. Chung, W. K. Yu. March 2001. [12] Wind Turbine Technology – Fundamental Concepts of Wind Turbine Engineering. ASME Press. New York, 1994. [13] PHYSICAL, CHEMICAL, AND MECHANICAL PROPERTIES OF BAMBOO AND ITS UTILIZATION POTENTIAL FOR FIBERBOARD MANUFACTURING. Xiaobo Li [14] La forma de la torre Eiffel. Joseph Gallant. Febrero 2002. AEROGENERADOR DE BAJO COSTE EN BANGLADESH DAVID FERNANDO SANJUAN 90 [15] http://www.bettergeneration.co.uk/wind-turbine- reviews.html?limit=50&order=jr_bladediameter [16] Carga rápida de baterías de Ni-Cd y Ni-MH de media y gran capacidad. Análisis, síntesis y comparación de nuevos métodos. Juan Carlos Viera Pérez. [17] http://www.skf.com/portal/skf_es/home