Ingeniería Mecánica · 2026
Diseño Y Construcción De Una Turbina Eólica Savonius De Etapas Múltiples Con Deflectores Para El Soporte De Consumo Eléctrico En Residencias De Tipo Familiar Urbanas
Este proyecto de grado tiene como objetivo general el diseño y la construcción de una turbina eólica Savonius de etapas múltiples con adaptación de deflectores direccionales, optimizada para operar en condiciones de viento urbano turbulento y de baja velocidad, con el fin de apoyar el suministro energético en hogares familiares. La propuesta surge ante el incremento de las tarifas eléctricas en Colombia el cual corresponde a 15.3% anual y las limitaciones que presentan las turbinas convencionales en estas condiciones. Se analizo el potencial eólico de la cuidad de Bucaramanga, se desarrolló el diseño mecánico considerando aspectos teóricos como el efecto Venturi, el número de Reynolds y el comportamiento de fluidos y se construyó un prototipo de 1m x 1.50 m, donde el sistema incluye rotor, transmisión, generador, almacenamiento y control. Además, incorpora simulaciones CAD y CFD para obtener un rendimiento optimo, plan de mantenimiento necesario para la turbina y un análisis técnico-económico para evaluar su viabilidad.
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Contenido
- Introducciónp. 16
- 1.Planteamiento del Problemap. 17
- 1.1 Justificaciónp. 18
- 1.2 Alcancep. 19
- 2.1 Objetivo Generalp. 20
- 2.2 Objetivos Específicosp. 20
- 3.Antecedentesp. 21
- 4.Referentes Teóricosp. 23
- 4.1 Turbinas Eólicasp. 23
- 4.2 Energía eólicap. 24
- 4.2.1 Comportamiento de la Dirección y Velocidad del Viento en Bucaramangap. 25
- 4.3 Turbina Eólica Savoniusp. 27
- 4.3.1 Subsistemasp. 28
- 4.4 Alabesp. 28
- 4.4.1 Tipos de Alabesp. 29
- 4.4.2 Diseño de Alabesp. 29
- 4.4.3 Condiciones Óptimas de Desempeñop. 31
- 4.5 Deflectoresp. 31
- 4.5.1 Tipos de Deflectores Usados en Turbinas Savoniusp. 32
- 4.5.2 Distancia Entre Deflectores y Rotorp. 32
- 4.6 Diseño Mecánicop. 32
- 4.6.1 Peso Del Rotorp. 33
- 4.6.2 Torquep. 33
- 4.6.3 Fuerza Aerodinámica por Arrastre y Fuerza Peso del Rotorp. 33
- 4.6.4 Esfuerzo Cortante Por Torsiónp. 34
- 4.6.5 Momento Polar De Inerciap. 34
- 4.6.6 Momento Flectorp. 35
- 4.6.7 Esfuerzo de Flexiónp. 35
- 4.6.8 Esfuerzo de Von Misesp. 35
- 4.6.9 Esfuerzo Admisiblep. 35
- 4.6.10 Resistencia a la Fatigap. 36
- 4.7 Conducto Venturip. 36
- 4.7.1 Requerimientos de Diseño para un Conducto Venturip. 37
- 4.8 Fluidosp. 38
- 4.8.1 Numero de Reynoldsp. 39
- 4.9 Relación de Transmisión por Cadenap. 40
- 4.9.1 Relación de Transmisiónp. 40
- 4.10 ANSYS Fluentp. 41
- 4.10.1 Dinámica de Fluidos Computacionalp. 41
- 4.10.2 Modelo de Turbulencia RANSp. 41
- 4.10.3 Modelo Estándar K-Épsilonp. 42
- 4.11 Generador de Imanes Permanentesp. 43
- 4.12 Controlador de Turbinas WT060p. 44
- 5.Metodologíap. 45
- 5.1 Evaluación del Recurso Eólicop. 45
- 5.1.1 Régimen de Flujo del Viento en Entornos Urbanosp. 46
- 5.1.2 Síntesis del Recurso Eólico Urbanop. 48
- 5.1.3 Viabilidad Técnicap. 49
- 5.1.4 Viabilidad Económicap. 49
- 5.2 Definición de Parámetros de Diseño y Requerimientos del Sistemap. 50
- 5.2.1 Requerimientos Mecánicosp. 50
- 5.2.2 Requerimientos Geométricosp. 51
- 5.2.3 Requerimientos de Materialp. 51
- 5.3 Diseño, Modelado y Simulación del Rotorp. 51
- 5.3.1 Selección configuración del rotor y tipo de perfilp. 51
- 5.3.2 Dimensionamiento y Parámetros Geométricos del Rotorp. 52
- 5.3.3 Relación de Aspecto del Rotor (RAR)p. 53
- 5.3.4 Definición Perfil Tipo Bach Modificadop. 53
- 5.3.5 Solapamiento Entre Alabesp. 54
- 5.3.6 Selección Material del Rotorp. 54
- 5.3.7 Simulaciones CAD Perfil Bach Modificadop. 55
- 5.3.8 Simulaciones CFD Prototipo Turbinap. 57
- 5.3.9 Comparación de Geometríasp. 60
- 5.4 Diseño, Modelado y Simulación del Ejep. 60
- 5.4.1 Selección de Material del Ejep. 61
- 5.4.2 Factores de Fatigap. 61
- 5.4.3 Geometría del ejep. 62
- 5.4.4 Cargas Aplicadas al Ejep. 63
- 5.4.5 Análisis Estático del Ejep. 63
- 5.4.6 Cálculo de Esfuerzos Nominalesp. 64
- 5.4.7 Concentración de Esfuerzosp. 65
- 5.4.8 Análisis a Fatigap. 66
- 5.4.9 Verificación Estáticap. 67
- 5.4.10 Simulaciones CAD del Eje del Rotorp. 68
- 5.5 Diseño, Modelado y Simulación Estructura de Soportep. 71
- 5.6 Diseño, Modelado y Simulación Conductos Venturip. 72
- 5.6.1 Geometría y Dimensionamiento del Conductop. 73
- 5.6.2 Longitudes de Estrangulamientop. 74
- 5.6.3 Caída de Presión (ΔP) Ecuación de Bernoullip. 74
- 5.6.4 Simulación CFD Conducto Venturip. 75
- 5.7 Diseño y Funcionamiento de los Deflectoresp. 76
- 5.8 Diseño y Montaje del Sistema de Toma de Datosp. 77
- 6.Resultadosp. 78
- 6.1 Resultados Teóricos de Potencia de la Turbina Eólicap. 78
- 6.2 Resultados Experimentales Turbina Eólicap. 80
- 6.3 Discusión de Resultados Experimentalesp. 83
- 7.Criticidad y Mantenimiento Turbina Savoniusp. 85
- 7.1 Matriz de criticidadp. 88
- 7.2 Modelo de mantenimientop. 89
- 8.Evaluación Económicap. 91
- 8.1 Análisis Crítico de la Viabilidad Económico-Financierap. 94
- 8.2 Presupuesto General Del Proyectop. 94
- 9.Conclusionesp. 96
- 10.Limitacionesp. 98
- 11.Recomendaciones Para Trabajos Futurosp. 99
- Referencias Bibliográficasp. 100
- Apéndicep. 103
- Figura 1. Tipos de aerogeneradores verticalesp. 24
- Figura 2. Velocidad promedio del viento a 100 metros de altura (m/s)p. 24
- Figura 3. Velocidad promedio mensual, año 2020p. 26
- Figura 4. Rosa de vientos año 2020p. 26
- Figura 5. Aerogenerador Savonius simplep. 27
- Figura 6. Configuración de diferentes configuraciones de alabes o palasp. 29
- Figura 7. Condiciones óptimas de desempeño para las diferentes geometríasp. 31
- Figura 8. Representación gráfica partes de un conducto o tubo Venturip. 37
- Figura 9. Formula número de Reynolds y representación de flujosp. 39
- Figura 10. Modelos RANS, ordenados de menor a mayor gasto computacionalp. 42
- Figura 11. Dimensiones generador MarsRock G100p. 43
- Figura 12. Especificaciones generador MarsRock G100p. 44
- Figura 13. Controlador WT060p. 44
- Figura 14. Velocidad media del viento en Bucaramangap. 45
- Figura 15. Reynolds vs Velocidadp. 47
- Figura 16. Diagrama perfil álabes Bach modificadosp. 54
- Figura 17. Simulación análisis de tensionesp. 55
- Figura 18. Simulación análisis de desplazamiento y deformaciones unitariasp. 56
- Figura 19. Simulación CFD Turbina Eólica Savonius de Etapas Múltiplesp. 57
- Figura 20. Simulación CFD Turbina Eólica Savonius de Una Etapap. 59
- Figura 21. Diagramas análisis estáticop. 64
- Figura 22. Simulación análisis tensiones equivalentes y análisis de desplazamientosp. 68
- Figura 23. Simulación análisis deformaciones unitarias y análisis factor de seguridadp. 69
- Figura 24. Simulación análisis de daño acumulado y vida totalp. 69
- Figura 25. Simulación análisis de fatigap. 70
- Figura 26. Simulación análisis tensiones y análisis de desplazamientop. 71
- Figura 27. Simulación análisis tensión y factor de seguridadp. 72
- Figura 28. Dimensiones y diseño CAD del conductop. 74
- Figura 29. Simulación CFD del conducto Venturip. 75
- Figura 30. Circuito electrónico para la toma de datosp. 77
- Figura 31. Grafica Potencia [W] vs RPM del rotorp. 78
- Figura 32. Grafica Potencia [W] vs Torque [Nm]p. 79
- Figura 33. Grafica Potencia [W] vs Velocidad del viento [m/s]p. 80
- Figura 34. Grafica RPM del rotor vs Velocidad del vientop. 81
- Figura 35. Graficas de RPM del generador vs RPM del rotorp. 82
- Figura 36. Grafica de Voltaje VS RPM del generadorp. 83
- Tabla 1. Subsistemas del aerogenerador eólico Savoniusp. 28
- Tabla 2. Velocidad promedio mensual y anual del aire en Bucaramangap. 46
- Tabla 3. Datos del análisis del recurso eólicop. 48
- Tabla 4. Dimensiones del rotor de la turbinap. 52
- Tabla 5. Propiedades del material AISI 316p. 61
- Tabla 6. Factores usados para el criterio de fatigap. 62
- Tabla 7. Geometría del eje de la turbinap. 63
- Tabla 8. Cargas aplicadas al eje de la turbinap. 63
- Tabla 9. Factores Corregidos para d/D = 5/15,875 mmp. 65
- Tabla 10. Dimensionamiento geométrico del conductop. 73
- Tabla 11. Ponderados para el análisis de criticidadp. 85
- Tabla 12. Análisis de componentes críticosp. 86
- Tabla 13. Valores de consecuencia de falla (C) y criticidadp. 87
- Tabla 14. Clasificación de criticidadp. 88
- Tabla 15. Matriz de criticidadp. 88
- Tabla 16. Resultado matriz de criticidadp. 88
- Tabla 17. Modelo de mantenimiento planteadop. 90
- Tabla 18. Presupuesto de fabricación y Margen de ganancia de la turbinap. 91
- Tabla 19. Datos necesarios para la evaluación económica del proyectop. 92
- Tabla 20. Resultados del análisis económico del proyectop. 93
- Tabla 21. Presupuesto general del proyectop. 95
- Apéndice A. Evidencias construcción del prototipop. 103
- Apéndice B. Planos CAD turbina Savoniusp. 104