Fecha de apertura: Agosto del 2002
F-95-019 AEROGENERADORES.
(3-0-8. Requisito:Haber
aprobado F-00-843).
Equivalencia: No existe.
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F-95-019 AEROGENERADORES.
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Conocer las bases de la aerodinámica requeridas para entendimiento del
funcionamiento de los aerogeneradores. Saber manejar las diferentes
herramientas que se usan para el diseño aerodinámico. Entender los aspectos
estáticos y dinámicos que conducen a la carga mecánica de un aerogenerador y su
torre de soporte. Saber estimar y minimizar las cargas mecánicas principales.
Conocer y entender los componentes principales de un sistema de generación
eléctrica usando la energía eólica. Saber determinar el recurso eólico y hacer
evaluaciones económicas básicas.
1. Aspectos básicos del diseño y la construcción de aerogeneradores.
1.1 Descripción de diferentes tipos de aerogeneradores.
1.2 Aspectos básicos a considerar en el diseño.
1.3 El rotor.
1.4 Construcción de las palas y materiales.
1.5 Sistemas de colocación de palas.
1.6 Construcción de la flecha motriz y el portamaquinaria.
1.7 Sistemas de seguridad.
1.8 Limitación de la potencia.
1.9 Torre y fundamentos
2. Diseño de turbinas eólicas según Betz y Schmitz.
2.1 Extracción de potencia desde el viento.
2.2 La teoría de las palas cargadoras.
2.3 Flujo de aire y fuerzas sobre palas en rotación.
2.4 El diseño óptimo según Betz.
2.5 Pérdidas.
2.6 El diseño según Schmitz considerando pérdidas por rotación de masas
de aire.
2.7 Aspectos prácticos del dimensionamiento de turbinas eólicas.
3 Cálculo de curvas características y comportamiento a carga parcial.
3.1 El método de elementos de pala.
3.2 Representación adimensional de las funciones características.
3.3 Características adimensionales de un aerogenerador rápido.
3.4 Características adimensionales de un aerogenerador lento.
3.6 Expresiones para potencia, torque y fuerza impulsora.
3.7 Dirección del flujo en la cercanía de las palas.
3.8 Comportamiento de aerogeneradores rápidos con regulación pitch
3.9 Ampliación del método de cálculo
3.10 Los límites del método de elementos de pala
4 Aspectos estructurales estáticos y dinámicos.
4.1 Estimación de cargas típicas.
4.2 Cargas actuando sobre las palas de aeroturbinas.
4.3 Cargas actuando sobre góndola y torre.
4.4 Utilización de la teoría de la similitud.
4.5 Aspectos básicos de las cargas dinámicas.
4.6 Oscilaciones de góndola y torre excitadas por rotación excéntrica.
4.7 Oscilaciones de góndola y torre excitadas por la sombra de la
torre.
4.8 Oscilaciones de la pala.
4.9 Oscilaciones de la flecha motriz.
5 Determinación del recurso eólico.
5.1 Causantes de los vientos.
5.2 El viento en la cercanía del suelo.
5.3 Medición y evaluación del recurso eólico.
5.4 Determinación de distribuciones idealizadas correspondientes.
5.5 Identificación y evaluación de sitios.
1.
1.1 Conocer y saber distinguir los diferentes tipos de aerogeneradores
(eje horizontal eje vertical, rotación lenta, rotación rápida, funcionamiento
por fuerzas aerodinámicas o por arrastre etc.).
1.2 Conocer y saber manejar los parámetros característicos de una
aeroturbina.
1.3 Conocer el concepto de la velocidad típica y saber distinguir las
características de aerogeneradores de baja y alta velocidad típica.
1.4 Conocer y entender la secuencia típica de perfiles de una pala.
1.5 Saber identificar los diferentes grados de libertad de las palas de
un aerogenerador.
1.6 Saber distinguir los diferentes diseños para la flecha motriz y el
generador eléctrico. Saber juzgar las ventajas y desventajas de las diferentes
opciones.
1.7 Conocer los diferentes tipos de frenos y sistemas de seguridad.
1.8 Saber distinguir entre sistemas pitch
y stall para la regulación de la
potencia y identificar las ventajas y desventajas de cada uno.
1.9 Saber dimensionar la torre para un aerogenerador dado y conocer los
sistemas para su edificación.
2.
2.1 Entender las razones de la limitación de la extracción de potencia
del viento y saber realizar los pasos de la derivación de Betz.
2.2 Entender los procesos aerodinámicos que conducen al las fuerzas de
sustentación y de arrastre y saber interpretar los diagramas correspondientes
para perfiles reales
2.3 Saber determinar la magnitud y dirección de la velocidad efectiva
del viento, vista desde una pala en rotación.
2.4 Saber realizar los pasos que conducen a la determinación de la
función de la cuerda de una pala, usando las suposiciones de Betz..
2.5 Saber calcular las pérdidas por arrastre y las pérdidas de punta.
2.6 Entender la geometría de flujo en la cercanía de una pala al
considerar la rotación de las masas de aire. Saber realizar los pasos que
conducen la función de la cuerda, usando esta geometría.
2.7 Saber usar las diagramas del coeficiente de potencia de una turbina
de viento vs. la velocidad típica para un diseño preliminar.
3.
3.1 Conocer y entender los pasos del método de elementos de pala
3.2 Entender y saber manejar los coeficientes de potencia, torque y
fuerza impulsora.
3.3 Saber identificar un aerogenerador rápido por el comportamiento de
sus coeficientes de potencia, torque y fuerza impulsora.
3.4 Saber identificar un aerogenerador lento por el comportamiento de
sus coeficientes de potencia, torque y fuerza impulsora.
3.6 Saber capaz de calcular la potencia de una aeroturbina para
frecuencia y velocidad del viento variables a partir de los coeficientes
adimensionales.
3.7 Entender y saber bosquejar en un diagrama la evolución de la
dirección efectiva del viento y los coeficientes durante el arranque de un
aerogenerador.
3.8 Conocer y entender la evolución de la curvas de potencia en función
del ángulo pitch
3.9 Conocer los métodos empíricos para ampliar el método de elementos
de pala.
3.10 Conocer los efectos cualitativos que van más allá del método de
elementos de pala.
4.
4.1 Conocer las diferentes fuentes de cargas mecánicas.
4.2 Conocer y saber calcular las cargas dinámicas actuando sobre las
palas..
4.3 Conocer y saber calcular las cargas actuando sobre góndola y torre.
4.4 Saber extrapolar los esfuerzos sobre las palas desde una pala
pequeña a una grande.
4.5 Saber plantear las ecuaciones diferenciales que gobiernan la
dinámica estructural de un aerogenerador y su torre.
4.6 Saber estimar y minimizar las oscilaciones de góndola y torre
excitadas por rotación excéntrica.
4.7 Entender los causantes de las oscilaciones de góndola y torre
excitadas por la sombra de la torre.
4.8 Saber clasificar los diferentes modos de las oscilaciones de la
pala.
4.9 Conocer los aspectos básicos de las oscilaciones de la flecha
motriz.
5.
5.1 Conocer y saber explicar los principales fenómenos de la circulación
global y regional.
5.2 Saber determinar la rapidez del viento a diferentes alturas en
función de la rugosidad del terreno.
5.3 Conocer los diferentes métodos para la determinación de la
velocidad del viento. Saber determinar la potencia promedio generado por un
aerogenerador dado en base a los datos recabados.
5.4 Conocer las distribuciones de Weibull y Rayleigh y saberlas
determinar para una serie de tiempo dada.
5.5 Conocer los pasos básicos en la evaluación de un sitio y saberlos
realizar.
Para un óptimo aprendizaje de los conocimientos y habilidades del curso
se sugiere trabajar con una metodología basada en proyectos mensuales. Para
eso, se sugiere definir tres proyectos prácticos en los cuales los alumnos, a
través del trabajo en equipo, aprenden en forma vivencial los conceptos y herramientos
requeridos.
El primer proyecto debe de abarcar aspectos de diseño de un
aerogenerador, integrando de esta manera los capítulos 1, 2 y 3. En el segundo
se trabajará sobre aspectos de la estabilidad estática y dinámica del sistema
aerogenerador-torre. En el último proyecto el enfoque estará en la caracterización
del recurso eólico de un sitio, de preferencia con datos reales, así como en la
evaluación técnica y económica de un planta eólica en este sitio.
Cada tema es introducido por el maestro mediante exposiciones
tradicionales. Posteriormente, se entrega a los alumnos un escrito con las
instrucciones detalladas para la realización del proyecto mensual. La última
sesión de cada semana es reservada para exposiciones de avance rotatorias por
parte de los equipos. La primera sesión de cada semana sirve para exposiciones
por parte del maestro, mientras que la segunda se aprovecha para la aclaración
de dudas.
La clase se complementa con visitas a proyectos existentes así como pláticas
invitadas.
Tema 1 4 horas (incluye
exposiciones de avance)
Tema 2 4 horas (incluye exposiciones
de avance)
Tema 3 16 horas (incluye
exposiciones de avance)
Tema 4 8 horas (incluye
exposiciones de avance)
Tema 5 8 horas (incluye
exposiciones de avance)
Exposiciones finales de proyectos mensuales 6
horas
Exámenes 2 horas
Total 48 horas
1 examen de medio término 20%
3 proyectos mensuales (reportes finales y de avance) 60%
Examen final integrador 20%
Bibliografía Actualizada
Martin O.L. Hansen. “Aerodynamics of Wind
Turbines”, James and James, London 2000.
Paul Gipe, Wind Energy Comes Of Age, John
Wiley, 1995
Profesor con maestría y/o doctorado en el área de física o ingeniería
con buenos conocimientos de la mecánica teórica y las fuentes renovables de
energía – y de preferencia – con experiencia en el área de la energía eólica.