1. DISEÑO DE ASPAS PARA PEQUEÑOS
AEROGENERADORES
Arturo Alberto García Ramírez
Arturo Serrato Jiménez
Salvador Ernesto Pluma Sánchez
Salvador Luna Reyes
1

2. DATOS DE ENTRADA CIATEQ
• Turbina eólica de 10 kW.
• Palas de 3.5 m de longitud.
• Uso de Perfiles: circular para la raíz y
FX 63-137.
• Materiales: Fibra de vidrio y resina
epóxica. Espuma de PET
• Uso de FOCUS6.
2
Figura 1: Perfil Aerodinámico

3. WMC FOCUS 6
Software modular para el diseño
y análisis de aerogeneradores:
• Rotor.
• Aspa.
• Diseño acorde a normativas
internacionales.
• Tierra y mar.
• etc.
3
Figura 2: FOCUS6

4. OBJETIVOS
4
1. Definir el diseño mecánico interno.
2. Establecer los materiales, características y el arreglo de laminados para dotar
de rigidez y resistencia mecánica a la estructura.
3. Cumplir con las normas de diseño IEC 61400-2 y Germanischer Lloyd 2010,
especialmente el caso 1.1 de Producción de Potencia, empleando el Modelo
Normal de Turbulencia (NTM).
4. Mejorar el diseño mediante el grosor de los materiales empleados y sus
posiciones relativas en el aspa.

5. ARQUITECTURA Y DISEÑO MECÁNICO
Tabla 1: Arquitectura de aspas [2] 5

6. NOMENCLATURA
6
Figura 3: Configuración básica [3]

7. MATERIALES PROPUESTOS
• Unidireccional: Fibra de vidrio (Vf = 69.8%) y matriz de resina epóxica.
• Biaxial: Fibra de vidrio (Vf = 46.4%) y matriz de resina epóxica.
• Triaxial: Fibra de vidrio (Vf = 51.6%) y matriz de resina epóxica.
• Raíz: Fibra de vidrio y matriz de resina epóxica. Material Cuasisotrópico.
• Espuma: PET
7

8. 8
Root
Biax
Foam
Coating
Unidireccional
Adhesivo
Triax
Figura 5: Configuración propuesta. [3]
Triax
Adhesivo
Adhesivo
Adhesivo
Biax
Unidireccional
Foam Adhesivo Biax
Foam
Figura 4: Configuración detallada [3]
CONFIGURACIÓN

9. 9Figura 6: Aspa con perfiles
Raíz
0 a 0.75 m
FX 63-137
1.015 m a 3.5 m
DEFINICIÓN

10. • Son la frontera para definir posición de los laminados.
10
Figura 7: Líneas de referencia

11. DEFINICIÓN DE SECCIONES
11
Figura 9: Sección de raíz
Triax Adhesivo
AdhesivoAdhesivo
Biax
Unidireccional
Foam Adhesivo Biax
Foam
Figura 8: Sección de UD

12. DEFINICIÓN DE SECCIONES
12
Triax Adhesivo
AdhesivoAdhesivo
Biax
Unidireccional
Foam Adhesivo Biax
Foam

13. 13
Figura 12: Cargas en el aspa
Factores que
afectan las:

14. VIENTO
Características del viento:
• Velocidad promedio del aire y su
dirección.
• Velocidad nominal de rotación.
14
Figura 13: Anemómetro y sensor de dirección

15. TORRE Y NACELLE
Nacelle:
• Geometría.
• Masa.
Torre:
• Altura.
• Material.
• Geometría.
• Cimientos.
• Condición en tierra
o marina.
15Figura 15: NacelleFigura 14: Torre

16. GENERADOR ELÉCTRICO Y
CONTROLADOR
Generador
• Curva par-vel.
• Velocidad rotacional
nominal.
• Caja de engranes.
16
Figura 16: Referencia de pitch y yaw
Controlador
• Pitch y Yaw.
• PD.
• Ganancias.

17. CLASES DE TURBINAS EÓLICAS
(IEC 64100-2)
• Clase I: Vave = 10 m/s y Vref = 50 m/s
17
Tabla 2: Parámetros de clase para pequeños aerogeneradores [6]

18. MODELOS DE VIENTO (IEC 61400-2)
a) Condiciones normales (SWC):
1. Distribución de la velocidad de viento Weibull, k = 2
2. Perfil normal de viento (NWP) y Modelo normal de turbulencia (NTM)
18
Pitch
Yaw
Kp = 0.2
Kd = 4
I15= 0.16
a = 3
= 0.9
Figura 17: Condiciones para el modelo NTM
Vave=10m/s

19. V_hub = 25 m/s
MODELOS DE VIENTO (IEC 61400-2)
b) Condiciones extremas
(De 1 o 50 años):
1. EWM
2. EOG
3. EDC
4. ECG
5. ECD = ECG+EDC
6. EWS
19
Tiempo [s]
VelocidadViento[m/s]
V_hub
V_hub = 25 m/s
Tiempo [s]
DirecciónViento[º]
V_hub = 25 m/s
Tiempo [s]
VelocidadViento[m/s]
1º 2º
3º 4º
V_hub
VelocidadViento[m/s]
Tiempo [s]

20. CASOS DE CARGA
Y FACTORES DE
SEGURIDAD
20
Tabla 3: Casos de carga para turbinas pequeñas [6]

21. 21
Figura 18: Mejora.

22. RESULTADOS MECÁNICOS
22Figura 19: Análisis Modal (10.23 Hz > Ref = 3.6 Hz)

23. RESULTADOS MECÁNICOS
23
Gráfica 5: Deflexión en la punta 19.9 cm. (Max = 20 cm)

24. RESULTADOS MECÁNICOS
24
Figura 20: Deformación. (Caso de Carga 1640)
EPS_T TRIAX
0.0183
EPS _C TRIAX
0.0146
EPS _T UD
0.025
EPS _C UD
0.0143

25. RESULTADOS MECÁNICOS
25
Figura 21: Factor de Seguridad. (Caso de Carga 150)
FS > 1.35

26. CONCLUSIONES
26
• El diseño de aspas depende de factores asociados con la turbina eólica,
tales como torre, nacelle, generador eléctrico, controlador y
características del viento, entre otros.
• Bajo el Caso 1.1 (NTM) de Producción de Energía se pudo constatar la
resistencia de las aspas, bajo análisis modal, análisis de deflexión y de
fatiga.
• El proceso de diseño se documentó con el fin de ayudar, en un futuro,
a diseñadores Mexicanos en el área de Turbinas Eólicas.

27. RECOMENDACIONES
1. Menor longitud de raíz del aspa, llevando a propiedades que favorecerán la producción de potencia.
2. Prolongar las alma de viga, moviéndolas más hacia la raíz para mejorar el desempeño del aspa.
3. Al mejorar el comportamiento aerodinámico, la velocidad de rotación puede disminuir y en consecuencia las cargas
aerodinámicas que experimenta el aspa pueden ser menores.
4. Llevar el material del borde de ataque del aspa de la raíz a la punta, pues esta parte es clave para cerrar el aspa
cuando llegue la hora de su manufactura.
5. Elección de nuevos perfiles aerodinámicos con un espesor máximo mayor.
6. Recalcular los valores de Cl, Cd y Cm para los nuevos perfiles.
7. Obtener un valor de Cp lo más próximo al valor teórico.
8. Realizar una pre deflexión del aspa en el programa FOCUS 6.
9. Determinar como simular un aerogenerador sin controlador (guiñada para la turbina y alabeo para las aspas).
10. Comenzar a modelar las presentes aspas con datos reales de diseño. 27

28. REFERENCIAS
[1] Escofet, Adrián. (2013). “Buscan 15,000 MW eólicos hacia 2020”. AMDEE. <http://
www.globalenergy.com.mx/Virtuales/Ediciones2013/AgostoSuple/files/assets/common/downloads/
page0026.pdf>
[2] Louis-Charles Forcier and Simon Joncas. (2011). “Development of a structural optimization
strategy for the design of next generation large thermoplastic wind turbine blades.” Springer. Louis-
Charles
[3] Design and Manufacture of Wind Turbine Blades. (2015). DELFT University of Technology.
Course AE4645 lecture notes.
[3] Gurit. “Wind Energy handbook”. Blade Manufacturing Processes. <http://www.gurit.com/files/
documents//4_blade_processes.pdf>.
[5] Germanischer Lloyd. (2012). GL. “Guideline for the certification of wind turbines.”
[6] IEC 61400-2. (2013). International Standard for Small Wind Tubines. Disponible en: <https://
webstore.iec.ch/publication/5433>.
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