Ultralight Wind Turbine Test/ Prueba de Turbina Eólica Ultraliviana

Prototipo de Turbina Eólica Ultraliviana

Características Técnicas (el artículo completo puede leerlo aquí: http://daniel.castez.com.ar/?page_id=11 )

La turbina que se muestra en este video posee un diámetro de 2 m. Cuenta con 24 aspas de 0.34 m de longitud y un ancho de 0.1 m en su borde externo (@ r = 1m). El ángulo beta en punta de aspa es de 7º (ángulo que forma la cuerda del perfil en punta de aspa respecto del plano de rotación). El perfil alar elegido fue el Clark Y de NACA. El ángulo beta en su extremo interno es de 10.5º lo cual implica un twist (o alabeo) de 3.5º. El peso de la turbina es de 16 kg, siendo el peso de las 24 aspas de 8.5 kg. Esto se debe a que están construidas con resina poliéster y refuerzo de fibra de vidrio. La turbina, en su modelo comercial, tendrá aspas de chapa de aluminio sobre un bastidor también de aluminio, obteniéndose así una reducción de peso del 70% de modo que el peso total de aspas será igual a 8.5 x 0.3 = 2.55 kg. Este tipo de construcción es similar al utilizado para las alas de aviomes ultralivianos. La turbina en el momento de la filmación estaba expuesta a un viento de 4.5 m/s y se puede apreciar fácilmente cómo se acelera (aceleración angular estimada en 0.8 radianes por segundo al cuadrado durante el arranque incrementándose hasta 1.2 r/s2 al alcanzar la velocidad angular correspondiente a la potencia pico) hasta llegar a su velocidad máxima para dicho viento igual a 4.7 rps a pesar de su elevado momento de inercia (I =10 kgm2). Debido a las cargas asociadas a la fricción pelicular de álabes, aros y demás componentes y al hecho de que el rotor arrastra una carga mecánica asociada a la caja multiplicadora x 4 y al generador (este último trabajando en vacío en esta primera prueba), el rotor se estabiliza a una velocidad menor a la que corresponde al ángulo beta (dicha velocidad es igual a 5.8 rps). Esta velocidad menor es aquella que desarrolla el valor de torque necesario para hacer frente a dicha carga. El torque crece con el ángulo alfa que a su vez crece con la reducción de la velocidad angular.a medida que se aumenta la carga sobre el rotor. La velocidad de rotación sin carga sería igual a 36.6 r/s; con la carga mencionada arriba esta velocidad se reduce a 32 r/s. La velocidad del viento durante la filmación fue medida mediante un anemómetro de hilo caliente proporcionado por ingenieros del Laboratorio de Fluidodinámica y Capa Límite de la Facultad de Ingeniería Aeronáutica de la UNLP; ellos también se encargaron de efectuar las mediciones a lo largo de todas las pruebas. Esto implica un muy buen torque de arranque (de alrededor de 8 Nm), aún a dicha velocidad de viento. Con estos datos se puede estimar fácilmente la potencia mecánica que entrega la turbina a esta velocidad de viento con una velocidad de rotación de 3.8 rps y un torque de 12 Nm (correspondiente a la óptima eficiencia de la turbina para este viento). La potencia mecánica es del orden de 291.6 W (W = 12 Nm x 24.3 r/s). Podemos hacer una comparación de este resultado con la potencia de una turbina tripala comercial del mismo diámetro (2 m), la cual a una velocidad del viento de 5 m/s desarrolla un torque a plena potencia del orden de 2 Nm. Admitiendo un lambda (relación entre la velocidad tangencial y la del viento) de 6, que es el valor más frecuente en los tripala comerciales, (el valor de lambda para nuestra turbina es igual a 5.4), se puede calcular fácilmente (Potencia = T x w, donde T es el torque expresado en Nm y w la velocidad angular en radianes por segundo).

Potencia tripala = 2 Nm x 30 r/s = 60 Watts

Este valor se condice con la potencia del tripala a 10 m/s que en la mayoría de estas turbinas es ligeramente menor que 500 W . Estos datos pueden consultarse en la bibliografía de Hugh Piggott, quien es una autoridad a nivel mundial en el tema y también en su sitio web:

http://www.scoraigwind.com/books/

En esta página se incluye una tabla con las potencias a distintas velocidades de viento y para varios diámetros de turbina.

Para calcular la potencia del tripala a 10 m/s se multiplica este valor de 60 W por la relación entre las dos velocidades de viento elevada al cubo (la potencia de la turbina aumenta como el cubo de la relación entre velocidades de viento;en este caso ésta es 10/5= 2); así podemos estimar la potencia del tripala con un viento de 10 m/s:

Power = 60 W x 8 = 480 W

La Patente AR049958B1 "Turbina Eólica Ultraliviana" fue otorgada por el Instituto Nacional de la Propiedad Industrial. La solicitud de patentamiento fue presentada ante la Oficina de Patentes el día 4 de Julio de 2005.

Si desea obtener más información sobre este desarrollo, lo invitamos a visitar el sitio:

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Taking a value of lambda for peak power extraction (lambda is the relationship between tangential speed and wind speed) of 6, which is a typical value for commercial models (our turbine has a lambda of 5.4) it is easy to calculate its power (W = T x w, where T is torque in Nm and w is angular velocity in radians per second)

W = 2 Nm x 30 r/s = 60 W

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Using these data, it is easy to estimate mechanical power attained by the turbine at this wind speed, at a rotation speed of 3.8 rps and a torque of 12 Nm (this torque is the one attained at peak power in this wind). Mechanical power is then:

W = 12 Nm x 24.3 r/s= 291.6 W

We can compare this power with that of a commercial three bladed turbine of the same diameter (2 m) which at a wind speed of 5 m/s develops a torque of around 2 Nm

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Wind speed during the test was measured b y means of a hot-wire anemometer that was provided by the Fluidodynamcs and Boundary Layer Lab of the Faculty of Aeronautical Engineering at the UNLP. Engineers from this lab performed all the wind speed measurements during the tests. This acceleration implies a high start-up torque (around 8 Nm) even at this small wind speed

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When we were shooting this video, the turbine was exposed to a 4.5 m/s wind speed and it is easy to see how it accelerates to achieve maximum speed of rotation for this wind (angular acceleration was estimated to be 0.8 r/s2 at start-up increasing to 1.2 r/s2 when the turbine reaches angular velocity corresponding to peak power at this wind speed) of 5.3 rps, in spite of the fact that it has to drive at the same time a gear-box (x 4) and a generator (at no-load condition during this first test)

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This is due to the materials used in their construction, ie polyester resin and glass fiber. The commercial model will have blades made of aluminum foil on an aluminum frame.thus achieving a weight reduction of 70% ; thus, the new blades will weigh 8.5 x 0.3 = 2.55 kg. This kind of construction is current for wings of ultralight planes.

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English version

Ultralight Wind Turbine Prototype

Technical characterístics

The turbine that is shown in this video has a diametre of 2 m. It has 24 blades 0.34 m long and 0.1 m wide at the tip (@ r=1m) Beta angle at blade tip is 7º. At the other end of the blades, the beta angle increases to 10.5º, which translates into a twist angle of 3.5º . The turbine weight is 16 kg while that of the blades is 8.5 kg.