Ap Proy Eolo

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Ap Proy Eolo

  1. 1. PROYECTO DISEÑO DE SISTEMAS EÓLICOS Julio Vergara Aimone ICM 2312
  2. 2. INTRODUCCIÓN Una de los componentes de evaluación del curso es el diseño de un “sistema complejo”, que inclu- ye elementos del Diseño Mecánico. El proyecto implica para cada componente clave, la selección concurrente de: a) materiales aptos, y b) geometrías posibles. A esto podremos agregar una previsión por efec- to del medio ambiente (simple en nuestro caso) y otra por procedimientos que acercan el sistema a la frontera de operación segura. La seguridad de las personas y equipos es parte del proyecto. J.Vergara ICM2312
  3. 3. INTRODUCCIÓN  Definir diseño y diseño mecánico, conocer las exigencias y limitaciones.  Conocer los fundamentos del diseño mecánico aplicados a elementos de máquinas.  Comprender el comportamiento mecánico de los materiales estructurales en sus ambientes.  Conocer los criterios de falla que inciden en el diseño mecánico mecánico.  Trabajar en equipo en el desarrollo de un proyecto aplicado de diseño mecánico. J.Vergara ICM2312
  4. 4. INTRODUCCIÓN Recordemos los bloques de evaluación principal del curso Diseño Mecánico I:  Tres (3) interrogaciones individuales:  20%, cada una. Nota bajo 4.0 ≡ repite área.  Un (1) proyecto de diseño mecánico:  25%, según guía (varias entregas).  Nota mínima: 4.0 (varios hitos).  Contribución a la clase. J.Vergara ICM2312
  5. 5. INTRODUCCIÓN Proyecto de Diseño Mecánico asociado a un Sistema Eólico:  Diseño innovador y creativo de un sistema de generación de energía eólica adosado a una barra con uniones apernadas.  Uso de materiales de descarte (conciencia ambiental). Se ha solicitado algo de dinero para ciertos dispositivos.  Desempeño relativo acorde a mejor ajuste entre teoría y cálculo. Máximo rendimiento con menor peso. J.Vergara ICM2312
  6. 6. INTRODUCCIÓN Sitio Proyecto de Diseño Mecánico: (soporte) En rojo: fijo, base de diseño En gris: variable, vuestro diseño C B Distancia mínima Fase 1) Proceso de Diseño. Fase 2) Construcción. Fase 3a) Desempeño en A. dinamómetro Recurso Ajuste al diseño. Luz (ventilador) Materiales, peso, $, etc. A Fase 3b) Predicción de falla en B. Deflexión (aspas y barra). Inestabilidad en C, etc. Ejemplo J.Vergara ICM2312
  7. 7. ENERGÍA EÓLICA Energía eólica, principal éxito renovable J.Vergara ICM2312
  8. 8. ENERGÍA EÓLICA Tipos de fuentes renovables  Térmico (concentración)  Solar (directo)  Efecto Fotovoltaico  Pasivo (invernadero)  Hídrico (sol-mar)  Eólico (sol-aire)  Solar (indirecto)  CEOT (sol-mar)  Olas (sol-aire-mar)  Bioenergía (sol-biota)  Lunar (gravedad)  Mareas (sol-luna-mar)  Terrestre (rad.)  Geotermia J.Vergara ICM2312
  9. 9. ENERGÍA EÓLICA Balance de Energías Disponibles Radiación de Energías Calor Energía Radiación de onda corta diversas sensible cinética onda larga Fuentes externas Reflejo Energía Re-irra- solar EP mareas diación 50000 172500 3 91400 122500 41400 Vapor de Cond. 2% Atmósfera agua, gases, Aire Viento particulas 1200 4600 3 25400 36000 Evap. 4000 65400 Océanos, rios, Olas, mareas Hidrósfera reservorios Agua y corrientes 5400 0 21 Fund. Fricción 5600 15600 Hielo polar, Litósfera humedad mat Roca y tierra superior inorgánica 0 Depos. Biósfera 133 Mat. orgánica Geotermia Volc. 0 0.3 45 Depos. fósiles Litósfera Decaimiento 5 Roca inferior Mat. inorgánica 40 Fuentes Internas Corazón Cifras en TW Adaptado de B. Sorensen J.Vergara ICM2312
  10. 10. ENERGÍA EÓLICA Usos de la Energía Disponible en la Tierra Radiación de Energías Calor Energía Radiación de onda corta diversas sensible cinética onda larga Fuentes externas Fusión Principales Reflejo Energía Re-irra- solar EP mareas diación 50000 EBS 172500 3 91400 Secundarios 122500 Q Condens. Bomba Calor Eólico Vapor de Cond. Atmósfera 41400 agua, gases, Aire Viento Posibles particulas 1200 4600 3 25400 Solar Hidro OTEC 36000 Evap. Bomba Calor 4000 Olas 65400 Océanos, rios, Olas, mareas Hidrósfera reservorios Agua y corrientes Mareomotriz 5400 0 21 Fund. Fricción 5600 Litósfera 15600 Fusión polar, Hielo Glaciar 1.0 Roca y tierra humedad mat superior inorgánica 0 Geointercambio Depos. 133 Biomasa 2.5 12.5 Biósfera Mat. orgánica Sociedad Fertilizantes Geotermia Volc. 0.4 9.0 GN, petróleo, carbón 0 0.3 45 Calor residual y Litósfera Depos. fósiles 5 radiación térmica inferior Geotermia Decaimiento Roca 1.0 Decaimiento Mat. inorgánica 40 Fuentes Internas Corazón Fisión Cifras en TW Adaptado de B. Sorensen J.Vergara ICM2312
  11. 11. ENERGÍA EÓLICA Usos de la Energía Disponible en la Tierra Radiación de Energías Calor Energía Radiación de onda corta diversas sensible cinética onda larga Fuentes externas Fusión (para cada recurso) Principales Reflejo Energía Re-irra- solar EP mareas diación 100%50000 EBS 172500 3 91400 Secundarios 122500 Q Condens. Bomba Calor Eólico Vapor de Cond. Atmósfera 41400 agua, gases, Aire Viento Posibles particulas 1200 4600 3 25400 Solar Hidro OTEC 36000 Evap. Bomba Calor 4000 Olas 65400 Océanos, rios, Olas, mareas Hidrósfera reservorios Agua y corrientes Mareomotriz 5400 0 21 Fund. Fricción 5600 Técnico-Accesible Litósfera 15600 Fusión polar, Hielo Glaciar 1.0 Roca y tierra humedad mat Práctico-Social superior inorgánica 0 Geointercambio Depos. Económico Disponible 133 Biomasa 2.5 12.5 Biósfera Mat. orgánica Sociedad Fertilizantes Geotermia Volc. 0.4 9.0 GN, petróleo, carbón 0 0.3 45 Calor residual y Litósfera Depos. fósiles 5 radiación térmica inferior Geotermia Decaimiento Roca 1.0 0% Decaimiento Mat. inorgánica 40 Fuentes Internas Corazón Fisión Cifras en TW Adaptado de B. Sorensen J.Vergara ICM2312
  12. 12. ENERGÍA EÓLICA Principales recursos eólicos 10600 TWh ~4030 GW (0.8 MM· 5 MW) 4600 TWh 14000 TWh 4800 TWh 1750 GW (0.4 MM· 5 MW) ~5300 GW (1 MM· 5 MW) ~1820 GW (0.4 MM· 5 MW) 10600 TWh ~4030 GW (0.8 MM· 5 MW) 5400 TWh 3000 TWh ~2050 GW (0.4 MM· 5 MW) ~1140 GW (0.2 MM· 5 MW) 53000 TWh (terrestre) ~20150 GW (4 MM· 5 MW) Hoy: 90 GW, ~180 TWh y 35000+ # J.Vergara ICM2312
  13. 13. ENERGÍA EÓLICA En energía primaria, la energía eólica tiene una presencia inferior a 1%, aumentando. ERNC-T Biocomb (0.3%) Electricidad (0.8%) Agua Caliente (1.3%) Nuclear Macro-hidroelect. (3%) Fosil Renovable Biomasa trad. (13%) J.Vergara ICM2312
  14. 14. ENERGÍA EÓLICA A nivel global, la potencia eléctrica instalada es ~ 4200 GW, dominada por fuentes fósiles: Tipo Capacidad Energía Uso Fósil ~ 2800 GW ~ 13500 TWh 55% Hidro ~ 780 GW ~ 2900 TWh 43% Nuclear ~ 375 GW ~ 2700 TWh 82% ERNC ~ 290 GW ~ 1000 TWh 39% Eólico ~ 140 GW Minihidro ~ 90 GW Biomasa ~ 48 GW Geotermia ~ 10 GW Solar FV ~ 6 GW Otros ~ 2 GW J.Vergara ICM2312
  15. 15. ENERGÍA EÓLICA Proyección de la capacidad instalada En Chile:  2- MW (3); Alto Baguales.  18 MW (11); Canela I.  69 MW (46); Canela II.  46 MW (23); Norvind.  300+ MW en varios proyectos. http://en.wikipedia.org/wiki/Image:WorldWindPower2008.png J.Vergara ICM2312
  16. 16. ENERGÍA EÓLICA Variabilidad: anual, mensual, diaria y horaria J.Vergara ICM2312
  17. 17. ENERGÍA EÓLICA Variabilidad anual: ciclos meteorológicos J.Vergara ICM2312
  18. 18. ENERGÍA EÓLICA Variabilidad mensual: función de localización J.Vergara ICM2312
  19. 19. ENERGÍA EÓLICA Variabilidad mensual: ciclos meteorológicos J.Vergara ICM2312
  20. 20. ENERGÍA EÓLICA Variabilidad diaria: más a mediodía en superficie J.Vergara ICM2312
  21. 21. ENERGÍA EÓLICA Uso de distribuciones para modelar y comparar J.Vergara ICM2312
  22. 22. ENERGÍA EÓLICA Diagrama polar de frecuencia eólica J.Vergara ICM2312
  23. 23. ENERGÍA EÓLICA Perfil de viento del Proyecto ICM2312 33%    0° Diagrama Polar Velocidad del Viento (m/s) J.Vergara ICM2312
  24. 24. SISTEMAS EÓLICOS Principales Sistemas Eólicos Sistemas Horizontales (HAWT) Doble aspa Aspa única Triple aspa Multiaspa Barlovento Sotavento Contrarotatorio Savonius Paletas Einfield-Andreau Multirotor Magnus cruzado cruzado Difusor Concentrador J.Vergara ICM2312
  25. 25. SISTEMAS EÓLICOS Principales Sistemas Eólicos Sistemas Verticales (VAWT) Savonius Savonius Aspa S Paleta cubierta Vasos curvo dividido Darrieus H-VAWT V-VAWT Banki Darrieus Savonius J.Vergara ICM2312
  26. 26. SISTEMAS EÓLICOS Ejemplos de sistemas eólicos tradicionales J.Vergara ICM2312
  27. 27. SISTEMAS EÓLICOS También susceptibles al clima J.Vergara ICM2312
  28. 28. SISTEMAS EÓLICOS Dimensiones típicas de un sistema 5 MW 400 ton 300 ton 120 m 1300 m3 concreto 120 tons de acero J.Vergara ICM2312
  29. 29. SISTEMAS EÓLICOS Dimensiones Enercon E126 (6 MW) Góndola de mínimo arrastre Sin caja, V variable, pitch activo. Torre concreto. Aspas: GFRE. Tip speed: 48 - 78 m/s (8 - 13 rpm) Cut-in:2.5 m/s Cut-out: 28 - 34 m/s. 114 m f, H = 126 m, Frenos: pitch más eje. Área: 10,207 m2 http://www.thewindpower.net J.Vergara ICM2312
  30. 30. SISTEMAS EÓLICOS Costa Afuera: más lejos y mejor viento Middegrunden, Dinamarca, 20 x 2 MW J.Vergara ICM2312
  31. 31. SISTEMAS EÓLICOS Mar Afuera: otras posibilidades (ruido) Sistema Flotante Norsk "Hywind” H2 J.Vergara ICM2312
  32. 32. SISTEMAS EÓLICOS Conceptos de turbinas eólicas flotantes Turbine Concepts Estabilizado Estabilizado Estabilizado por Lastre por Anclaje por Boyantez J.Vergara ICM2312
  33. 33. SISTEMAS EÓLICOS Sistemas terrestres versus marinos. Los terrestres (onshore) son más económicos, el viento es menor y poco predecible. Su diseño se ha estandarizado en HAWT de tres palas subsóni- cas. Son crecientemente rechazados. Los marinos (offshore) son más caros, el viento es mayor y predecible. Su diseño no se ha estan- darizado pero podría seguir la línea HAWT de tres palas subsónicas (no es claro). Es la tecnología preferida (plataforma oceánica o flotante) del mo- mento para no saturar y molestar a la gente. J.Vergara ICM2312
  34. 34. SISTEMAS EÓLICOS Ejemplos de sistemas eólicos no tradicionales sistemas multirotores J.Vergara ICM2312
  35. 35. SISTEMAS EÓLICOS Ejemplos de sistemas eólicos avanzados ¿Patagonia sin Eólica? sistemas multirotores J.Vergara ICM2312
  36. 36. DISEÑO DE SISTEMAS EÓLICOS Aspectos de diseño de un sistema real Radiador J.Vergara ICM2312
  37. 37. DISEÑO DE SISTEMAS EÓLICOS Aspectos de diseño: potencia disponible 1 dm 2 P= V r, V 2 dt dm = r·A·V3 dt La potencia disponible en 1 A depende de la velocidad P = r·A·V3 al cubo de corriente libre. 2 Es proporcional a la densi- P 1 dad del flujo de aire (1.225 = r·V3 kg/m3 a n.m. y 15°C). A 2 J.Vergara ICM2312
  38. 38. DISEÑO DE SISTEMAS EÓLICOS Aspectos de diseño: potencia disponible Velocidad P/A W/m2 Si se conoce la velocidad promedio m/s en una región, podemos crear ma- 0 0 pas para la densidad de potencia. 5 80 10 610 Se obtiene una mayor precisión si 15 2,070 se conocen los promedios horarios 20 4,900 para un año típico. 25 9,560 Vm es la velocidad promedio anual 30 16,550 y k es el factor de utilización anual. Pm 1 Pm/A < 100 W/m2 (pobre) = r·V3·k Pm/A ~ 400 W/m2 (bueno) A 2 Pm/A > 700 W/m2 (muy bueno) J.Vergara ICM2312
  39. 39. DISEÑO DE SISTEMAS EÓLICOS Aspectos de diseño: curva de la turbina Potencia / Área de Palas Potencia (MW) 600 3.0 Potencia / Área (viento) = ½ r·v3 500 2.5 Corte Potencia Eléctrica 400 2.0 Ej. V80 (Vestas) f = ½ Hz 300 D = 80 m 1.5 VT = 450 km/h 200 1.0 P 16 = ½ CD· r· v3· hH· hM· hE CD = 100 A 27 Betz 0.5 0 0 0 5 10 15 20 25 30 35 Velocidad del Viento (m/s) J.Vergara ICM2312
  40. 40. DISEÑO DE SISTEMAS EÓLICOS Aspectos de diseño: curva del recurso f(v/v) 0.8 Distribución Rayleigh p v 2 0.7 v p v 4 v dv f dv = e 0.6 v 2 v2 v 0.5 0.4 Distribución del viento 0.3 0.2 0.1 0 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Velocidad del Viento / velocidad Media v/v J.Vergara ICM2312
  41. 41. DISEÑO DE SISTEMAS EÓLICOS Aspectos de diseño: convolución de curvas Potencia / Área de Palas Potencia (MW) f(v/v) 600 3.0 0.8 Potencia / Área (viento) 500 2.5 0.7 Potencia Eléctrica 0.6 400 2.0 Distribución del viento V80 0.5 300 1.5 0.4 200 1.0 0.3 X(v) 0.2 f(v)dv 100 0.5 0.1 0 0 0 0 5 10 15 20 25 30 35 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Velocidad del Viento (m/s) Velocidad del Viento / velocidad Media v/v ∞ 15 25 Potencia Area ∫ ∫ ∫W = X(v) f(v)dv = 0.118v3f(v)dv + 400 f(v)dv = 72 + 137 = 209 2 0 4 15 m 209 Factor de capacidad = = 52% (máx) ≈ 30-40% (típico) 400 J.Vergara ICM2312
  42. 42. DISEÑO DE SISTEMAS EÓLICOS Ventajas y Desventajas Ventajas: Tamaño modular. Sin costo de combustible ni GEI. Tecnología de escala productiva. Aceptación inicial (verdes). Susceptible de beneficios. Desventajas: Alto costo y confiabilidad incierta. Recurso intermitente y lejano. Requiere almacenamiento. Cierta oposición pública. Aspecto, ruido, pájaros, peces. J.Vergara ICM2312
  43. 43. DESEMPEÑO DEL PROYECTO Proyecto de Diseño Mecánico (Sistema Eólico): Elementos de Evaluación (subjetivos): a) Proceso de diseño: básico a detallado (70% tiempo). b) Selección consciente de materiales acorde a desempeño. c) Contribución de materiales de descarte en el total (balance). d) Desempeño vs Predicción de Diseño, i.e. criterios de falla, etc. e) Atributos de estilo, superficie, elegancia, belleza (Edsel). f) Diseño técnico, i.e. selección de conceptos eólicos. g) Selección de los mecanismos de rodadura en A. h) Ajuste a presupuesto (restricción gerencial) y “mercado”. i) Costo estimado, emisiones ahorradas, etc. J.Vergara ICM2312
  44. 44. DESEMPEÑO DEL PROYECTO Proyecto de Diseño Mecánico (Sistema Eólico): Elementos de Evaluación (objetivos): 1) Potencia máxima (torque y velocidad) en punto A (4 intentos). 2) Peso mínimo de las piezas de unión y materiales. 3) Relación potencia a peso (i.e. 1 mW con 1 g > 1 W con 5 kg) 4) Cuidado a Interferencias (deflexión) entre aspas y barras. 5) Diseño de flecha, descansos, vigas, soldaduras, pernos. 6) Ruptura de uniones al soporte según criterios de falla. 7) Flexión y ángulo de la barra o columna en operación. 8) Ajuste entre desempeño y predicción de diseño, etc. 9) Tiempo de armado (360 segundos). J.Vergara ICM2312
  45. 45. DESEMPEÑO DEL PROYECTO Proyecto de Diseño Mecánico (Sistema Eólico): Las entregas se realizarán a través de un blog- spot de cada grupo, en las fechas indicadas en el programa de curso, salvo que el profesor o ayudante las modifiquen por razón justificada. Próxima entrega: Lunes 19 de abril Informe Final: documento integral del diseño, historial y resumen de información con cálculos de los elementos mecánicos, atributos de mer- cado y otros datos “reservados” del proyecto. J.Vergara ICM2312
  46. 46. RESUMEN Proyecto de Diseño Mecánico (Sistema Eólico): Entregas: Extensión: a) Misión del Producto (Planeación, ~3ª semana). a) 01 página. b) Especificaciones Meta (Concepto, ~ 6ª semana). b) 03 páginas. c) Selección de Concepto (Concepto, ~8ª semana) c) 10 páginas. d) Descripción del Concepto (Concepto, ~9ª semana). d) 02 páginas. e) Diseño de los Sistemas (Sistemas, ~11ª semana) e) 04 páginas. f) Diseño documentado (Detalle, ~12ª semana) f) 12 páginas. g) Construcción del prototipo (Detalle, ~13ª semana). g) ficha h) Test de Desempeño (Pruebas/Ajustes, ~14ª semana). h) ficha J.Vergara ICM2312
  47. 47. RESUMEN Proyecto de Diseño Mecánico (Sistema Eólico): Las entregas se realizarán a través de un blog- spot de cada grupo, en las fechas indicadas en el programa de curso, salvo que el profesor o ayudante las modifiquen por razones acordes. Este debe incluir un video integral aunque breve de su concepción, desarrollo y funcionamiento. Informe Final: documento integral del diseño del sistema eólico, historial y un resumenes. Cálcu- los de elementos mecánicos, atributos de merca- do y otros datos “reservados” del proyecto. J.Vergara ICM2312
  48. 48. RESUMEN Revisamos algunos aspectos generales del desa- rrollo de la tecnología eólica real con el objeto de apoyar el proyecto del curso ICM 2312. Se presentaron los tipos de recursos y las tecno- logías eólicas dominantes. En función de lo visto ahora y de las posibilidades “de mercado”, cada grupo contrastará diversos conceptos antes de llegar al diseño de detalle de su sistema. El seguimiento del blog será permanente. Podrá haber revisión de detalle al azar (con nota). Se recomienda responsabilidad y puntualidad. J.Vergara ICM2312

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