Diseno y Construccion de Rotores Eolicos

 

  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

1

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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