Diseno y Construccion de Rotores Eolicos
September 2, 2022 | Author: Anonymous | Category: N/A
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Instituto Tecnológico del Valle de Etla
1.
Datos Generales de la asignatura Nombre de la asignatura: Diseño y construcción de rotores eólicos Clave de la asignatura:
DSF-2001
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SATCA : 3-2-5 Carrera: Ingeniería en Energías Renovables
2. Presentación Presentación Caracterización de la asignatura Esta asignatura aporta las bases necesarias para que el estudiante sea capaz de
diseñar, proponer y construir rotores eólicos, con base a las características de los sitios de emplazamientos de parques eólicos. Intención didáctica La asignatura se clasifica en 5 temas, el tema 1, aporta una introducción al tema
del diseño de rotores eólicos, a través de una revisión en los conceptos necesarios para caracterizar un rotor eólico de acuerdo a las necesidades del sitio de interés. En el tema 2, se analiza la teoría del cilindro de vórtice como el principio para la modelación del viento, y de como este se aprovecha para transformarla en energía mecánica. En el tema 3, se comparan los diferentes perfiles aerodinámicos, en donde se observa el comportamiento de los coeficientes de sustentación y arrastre, así como el ángulo de ataque y la turbulencia que se genera en el perfil. En el tema 4, se determinarán las características aerodinámicas con las que contará el rotor, considerando el efecto estela, los diferentes diseños aerodinámicos del rotor, y por último la simulación del rotor. En el tema 5, se exploran los diferentes materiales para construir palas para
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Sistema de Asignación y Transferencia de Créditos Académicos
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aerogeneradores, cómo se acopla al hub del rotor, pruebas de fatiga para las palas y por último la simulación y manufactura de un rotor eólico.
3. Participantes en en el diseño y seguimiento seguimiento curricular del programa
Lugar y fecha de elaboración o revisión
Participantes
Santiago Suchilquitongo, Oaxaca.
Instituto Tecnológico del Valle de Etla, con apoyo de docentes invitados: M.C. Sergio Andrés Flores Toledo, M.C. Jehú Juárez Reyes, M.C. Wilver Sánchez Martínez, Ing. Oscar Eduardo Guerra
Mayo 2020
Observaciones
Cañada 4. Competencia(s) a desarrollar Competencia(s) Competenc ia(s) específica(s) de la asignatura Analiza el comportamiento del viento en el sitio de interés, con la finalidad de diseñar y construir un rotor eólico.
Colabora
en proyectos de investigación, tecnológica, relacionados a la energía eólica.
desarrollo
e
innovación
5. Competencias previas Aplica los principios de cálculos matemáticos aplicados al ámbito de la energía eólica.
Aplica los conceptos fundamentales y propiedades de los fluidos para
analizar el viento. Aplica las herramientas del CAD en la realización de planos manufactura,
para la elaboración de piezas y/o componentes del rotor eólico. Interpreta y aplica la normatividad, para el desarrollo de proyectos de
ingeniería. Aplica los elementos de la investigación documental para elaborar
escritos académicos de su entorno profesional o para la divulgación
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científica.
6. Temario No.
1
2
3
4
Temas
Subtemas
Introducción
1.1. Conceptos Preliminares 1.2. Teoría del disco actuador 1.2.1. Teoría del momento 1.2.2. Coeficiente de potencia 1.2.3. Límite de Betz 1.2.4. Coeficiente de confianza 1.3. Teoría del disco rotor 1.3.1. Rotación de estela 1.3.2. Teoría del momento angular 1.3.3. Potencia máxima 1.3.4. Estructura de la estela Modelo de cilindro de vórtice del 2.1. Introducción disco del actuador 2.2. Teoría del cilindro de vórtice 2.3. Relación entre la circulación ligada y la velocidad inducida 2.4. Vórtice de raíz 2.5. Potencia y torque 2.5.1. Flujo axial 2.5.2. Flujo tangencial 2.5.3. Flujo radial Perfiles aerodinámicos 3.1. Definición y geometría de un perfil aerodinámico 3.2. Coeficiente de arrastre (Cd) 3.3. Coeficiente de sustentación (Cl) 3.4. Relación Cd/Cl vs ángulo de ataque 3.5. Circulación del viento a través del perfil 3.6. Efectos de un número discreto de palas 3.7. Uso de software 3.8. Construcción de un perfil aerodinámico Aerodinámica del rotor 4.1. Cálculos y modelos matemáticos 4.2. Características de potencia del rotor 4.3. Control de potencia aerodinámica 4.4. Estela del rotor 4.5. Características importantes de diseño aerodinámico del rotor 4.6. Diseños existentes de palas para
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rotor 4.7. Control del yaw para el rotor 4.8. Aerodinámica de rotores de eje vertical 4.9. Uso de software 5.1. Materiales 5.2. Alas de avión como modelo
Rotor eólico
5.3. Diseños experimentales de palas 5.4. Composición de palas de fibra de vidrio reforzado 5.5. Conexión palas al hub del rotor 5.6. Comparación de diseños de rotores eólicos 5.7. Frenos aerodinámicos en rotores controlados por pérdida 5.8. Protección pararayos 5.9. Hielo y deshielo 5.10. Uso de software para diseño y simulación del rotor. 5.10.1. Manufactura de la pala 5.10.2. Pruebas de fatiga a la pala. 5.10.3. Manufactura del rotor eólico. 7. Actividades de aprendizaje de los temas
1.- Introducción Competencias
Actividades de aprendizaje
Específica(s): Conoce
la
Investigar los conceptos de la
complejidad
teoría del disco actuador.
del
funcionamiento del rotor eólico.
Analizar
Identifica los factores que intervienen en la conversión de energía cinética del viento a energía mecánica (rotativa)
Habilidades
para buscar, procesar y analizar información procedente de fuentes diversas. de abstracción, Capacidad
la
actuador.
Conocer
Competencias instrumentales
interpretar
geometría del flujo del disco
Genéricas:
e
y
determinar
las
fórmulas
matemáticas
necesarias
para
la
caracterización del rotor eólico.
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análisis y síntesis.
Calcular la máxima potencia
extraída
Competencias interpersonales:
del
viento
con
la
ecuación de Betz.
Habilidades
en las relaciones interpersonales Capacidad crítica y autocrítica.
Competencias sistémicas: Habilidades de investigación y
redacción de documentos científicos 2.- Modelo de cilindro de vórtice del disco del actuador Competencias Específica(s):
Actividades de aprendizaje Investigar la teoría del cilindro
de vórtice
Conoce e identifica los parámetros de entrada para el diseño de un rotor eólico. Analiza y compara las diferencias entre torque y potencia, flujo axial, flujo tangencial y flujo axial.
Analizar
y
determinar
el
parámetro lambda
Investigar la relación que existe
entre la potencia y torque para Genéricas:
un rotor eólico.
Competencias instrumentales Habilidades
para buscar, procesar y analizar información procedente de fuentes diversas. Capacidad de abstracción, análisis y síntesis.
Analizar los conceptos de flujo
axial, flujo tangencial y flujo radial.
Competencias interpersonales:
Habilidades
en las relaciones interpersonales Capacidad crítica y autocrítica.
Investigar las definiciones de la
geometría del flujo a posición radial r.
Competencias sistémicas: Habilidades de investigación y
redacción científicos
de
documentos
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3.- Perfiles aerodinámicos Competencias Actividades de aprendizaje Específica(s):
Identificar y analizar las partes
que
Identifica los elementos que conforman un perfil aerodinámico.
conforman
un
perfil
aerodinámico
Determina el coeficiente de sustentación, coeficiente de arrastre y el ángulo óptimo de ataque de la pala.
Realizar un mapa conceptual
de
los
tipos
perfiles
aerodinámicos Investigar
los
Genéricas:
conceptos
de
Coeficientes de sustentación y
Competencias instrumentales
para buscar, procesar y analizar información procedente de fuentes diversas. Capacidad de abstracción,
de
de arrastre, así como el
Habilidades
Realizar
de
análisis y síntesis.
Habilidades
en las relaciones interpersonales Capacidad crítica y autocrítica.
de
perfiles
empleados
en
aerogeneradores
Competencias interpersonales:
análisis
comportamiento aerodinámico
un
Analizar
e
interpretar
las
gráficas del comportamiento
aerodinámico de perfiles; Cl vs
Competencias sistémicas:
, Cd vs y Cl/Cd vs .
Habilidades de investigación y redacción de documentos científicos 4.-Aerodinámica del rotor Competencias Específica(s):
Actividades de aprendizaje y analizar Identificar
los
modelos matemáticos para el
Conoce los parámetros principales para el diseño aerodinámico de un rotor eólico.
control de potencia del rotor.
Analizar y determinar el efecto
Examina y diseña un rotor eólico para el sitio de interés.
estela
que
genera
el
rotor
después de absorber la energía Genéricas:
cinética del viento.
Competencias instrumentales
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Habilidades
para buscar, procesar y analizar información procedente de fuentes diversas. Capacidad de abstracción, análisis y síntesis. Uso de software de análisis de
Examinar
los
aerodinámicos
diseños
existentes
de
rotores eólicos.
datos y diseño en CAD. Simular el funcionamiento del
Competencias interpersonales:
rotor
Habilidades
en las relaciones interpersonales Capacidad crítica y autocrítica.
mediante
el
uso
de
software.
Competencias sistémicas:
Habilidades de investigación y redacción de documentos científicos 5.- Rotor eólico Competencias Específica(s):
Actividades de aprendizaje Conocer los materiales
empleados para la manufactura
Diseña en CAD todos los elementos de un rotor eólico Genera planos de manufactura y de ensamble de cada una de las piezas del rotor. Manufactura y ensambla el rotor
del rotor eólico.
Determinar el acoplamiento de
las palas al hub.
Diseñar y simular esfuerzos a
eólico.
los cuales se someterá el rotor
Genéricas:
eólico.
Competencias instrumentales Habilidades
para buscar, procesar y analizar información procedente de fuentes diversas. Capacidad de abstracción, análisis y síntesis.
Manufacturar
y
someter
a
esfuerzos las palas.
Competencias interpersonales:
Manufacturar y ensamblar los
componentes del rotor.
Habilidades
en las relaciones interpersonales
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Trabajo en equipo
Capacidad crítica y autocrítica.
Competencias sistémicas:
Habilidades de investigación y redacción de documentos científicos
8. Práctica(s)
1. Aplicar la teoría del disco actuador y del disco a rotor a un rotor eólico. 2. Determinar la relación del término lambda 3. Conocer la diferencia entre potencia y torque, aplicado a un rotor eólico (flujo axial, tangencial y radial). 4. Estudiar las diferentes familias de perfiles aerodinámicos y determinar Cd, Cl, Cd/Cl vs α. 5. Simulación y construcción un perfil aerodinámico mediante el software especializado. 6. Diseñar las palas y moldes en CAD, generar código para maquinado en CNC. 7. Manufacturar el molde, las palas y el acoplamiento del hub en el rotor eólico. 8. Realizar prueba de fatiga a las palas. 9. Ensamblar y balancear el rotor eólico. 9. Proyecto de asignatura
El objetivo del proyecto que planteé el docente que imparta esta asignatura, es demostrar el desarrollo y alcance de la(s) competencia(s) de la asignatura, considerando las siguientes fases: Fundamentación : marco referencial (teórico, conceptual, contextual,
legal) en el cual se fundamenta el proyecto de acuerdo con un diagnóstico realizado, mismo que permite a los estudiantes lograr la comprensión de la realidad o situación objeto de estudio para definir un proceso de intervención o hacer el diseño de un modelo. Planeación: con base en el diagnóstico en esta fase se realiza el diseño
del proyecto por parte de los estudiantes con asesoría del docente; implica planificar un proceso: de intervención empresarial, social o
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comunitario, el diseño de un modelo, entre otros, según el tipo de proyecto, las actividades a realizar los recursos requeridos y el cronograma de trabajo.
Ejecución: consiste en el desarrollo de la planeación del proyecto realizada por parte de los estudiantes con asesoría del docente, es decir en la intervención (social, empresarial), o construcción del modelo propuesto según el tipo tipo de proyecto, es la la fase fase de mayor duración que implica el desempeño de las competencias genéricas y especificas a desarrollar.
j uicio de valor en el Evaluación: es la fase final que aplica un juicio
contexto laboral profesión, social e investigativo, ésta se debe realizar r ealizar a través del reconocimiento de logros y aspectos a mejorar se estará promoviendo el concepto de “evaluación para la mejora continua”, la metacognición, el desarrollo del pensamiento crítico y reflexivo en los estudiantes. 10. Evaluación por competencias competencias Observación del desempeño del alumno durante la realización trabajos
e investigaciones. Reportes escritos de las observaciones hechas durante las actividades de
solución de problemas prácticos, así como, las conclusiones obtenidas Información obtenida durante las investigaciones solicitadas plasmada
en documentos escritos. Exámenes escritos para comprobar el manejo de aspectos teóricos y
declarativos. Reportes escritos de las prácticas experimentales
Desarrollo de proyectos prácticos sobre las aplicaciones de la energía
eólica
11. Fuentes de información
1. Erich
Hau,
(2013),
Wind
Turbines,
Fundamentals,
Technologies,
Application, Economics, Springer. 2. David Wood, (2011), Small wind turbines, análisis, análisis, design and application, application, Springer.
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3. Justin D. Pereira, (2011), Wind tunnels: Aerodymanics, models and experiments; Nova Science Publishers, Inc. 4. Martin O. L. Hansen, (2008), Aerodynamics of Wind Turbines, Earthscan: London 5. Sathyajith Mathew, (2006), Wind energy, fundamentals, resource análisis and economics, Springer. 6. J.F Manwell, J. G. McGowan and A. L. Rogers, (2002), Wind energy explained, theory, design and application, Wiley. 7. DNV/RISØ, (2002), Guidelines for design if wind turbines, Jydsk Centraltrykkeri: Denmark 8. John D. Homes, (2001), Wind loading loading of structures, Spon Pr Press. ess. 9. Tony Burton, David Sharpe, Nick Jenkis, Ervin Bossanyi, (2001), Wind energy Handbook, Wiley 10. Gustave P. P. Corten, (2001), Flow separation on
wind turbines turbines Blades,
University of Utrecht.
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