27/06/14

Proyecto Aerogenerador

Integrantes: Diego Cajales

Moisés Guzmán

Gabriela Venegas

Profesor: Rodrigo Demarco

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Contenido

Resumen ejecutivo ........................................................................................................ 2

Introducción .................................................................................................................. 3

Alcance ......................................................................................................................... 4

Formulación del Diseño ................................................................................................. 5

Principio de operación de la turbina eólica. ........................................................................... 5

Máxima potencia teórica....................................................................................................... 7

Ley de Betz .................................................................................................................................. 7

Cuantificación de las pérdidas de energía. ........................................................................... 10

Formas de minimizar las pérdidas ............................................................................................. 12

Potencia ideal que entregará el aerogenerador: ................................................................... 13

Diseño ................................................................................................................................ 14

Rotor: ......................................................................................................................................... 15

Multiplicador: ............................................................................................................................ 15

Ejes: ........................................................................................................................................... 16

Soporte: ..................................................................................................................................... 16

Torre: ......................................................................................................................................... 16

Base: .......................................................................................................................................... 16

Conclusiones ............................................................................................................... 18

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Resumen ejecutivo

La generación de energía renovable no convencional es primordial para el progreso del país, es por

ello que en el presente proyecto modelaremos un aerogenerador a escala con el fin de generar

energía mecánica que luego será trasformada a energía eléctrica.

Para ello dispondremos de un modelo tripala horizontal que expuesto a un túnel de viento con

velocidad de 8 m/s girara generando energía mecánica. Esta energía será maximizada a través de

un sistema de engranaje para luego conectarla a un motor que en este caso particular será

utilizado como generador, con el fin de transformar la energía mecánica en energía eléctrica.

La tecnología empleada en el proceso de construcción será baja en costos ya que más del 75% de

los materiales son reciclados.

Realizada la construcción de nuestro prototipo y expuesta en condiciones ambientales normales

ante el túnel de viento se espera que esta genere su mayor potencial eléctrico.

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Introduccio n

Algunos científicos modernos consideran la energía eólica como una forma indirecta de energía

solar, dado que, el sol al calentar las masas de aire manifiesta un incremento en la presión

atmosférica y con ello el movimiento de este aire a zonas de menor presión, es así como se

originan los vientos como resultado de esto, cuya energía cinética puede transformarse en energía

eléctrica.

Es una energía renovable cuyas ventajas son: ser económica, inagotable y no produce impactos

negativos sobre el medio ambiente. La energía eólica ha sido un recurso empleado desde tiempos

remotos en diferentes partes del mundo y para diversos propósitos en especial a la navegación, en

la actualidad, se necesita una velocidad de unos 8 m/s para que resulte eficaz la utilización de

aerogeneradores para la producción de energía y recientemente se aplica a la producción de agua

utilizando un proceso de condensación siendo su único combustible el aire (viento). En el diseño

de un aerogenerador se necesita hacer un estudio de vientos globales, locales, de montaña;

también se necesita hacer mediciones con anemómetros y utilizar la rosa de los vientos y el atlas

de viento. Hoy en día la energía eólica es una energía madura, se puede conseguir en el mercado

aerogeneradores de hasta 1MW de potencia.

A continuación se busca estudiar a profundidad este fenómeno de generación de energía a través

del viento, la eficiencia de los tipos de aerogeneradores y la confección de uno, analizando

ventajas y desventajas de cada modelo y diseños, para lograr la mayor generación de energía en

las condiciones dadas dentro del laboratorio.

Objetivo General

Obtener un prototipo a escala de un aerogenerador capaz de producir energía no

convencional.

Objetivos Específicos

Maximizar la energía producida por el aerogenerador.

Minimizar los costos de producción del modelo.

Evidenciar las ventajas de la implementación de un aerogenerador como fuente de

energía para el país.

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Alcance

Actualmente el país cuenta con una capacidad instalada de aproximadamente 17 mil MW: 74%

está en el Sistema Interconectado Central (SIC); 25% en el Sistema Interconectado Norte Grande,

(SING), y menos del 1% en los sistemas medianos de las Regiones de Aysén y Magallanes.

Tomando en cuenta la tendencia de crecimiento económico proyectada para el año 2020, se

proyecta un aumento en el consumo eléctrico en torno a los 100 mil GW de demanda total de

energía eléctrica a dicho año. Ello representa el desafío de incorporar 8 mil MW de capacidad

instalada a nuestro sistema.

Si bien como país sabemos que debemos aumentar nuestra producción de energía, no se ha

definido claramente qué tipo de energía es la que utilizaremos. Mundialmente existe la tendencia

a utilizar energías renovables no convencionales las cuales son sujeto de estudio en las más

prestigiosas universidades y centros de investigación, un tipo de energía renovable no

convencional es la energía Eólica la cual proviene de las masas de aire, extrayéndose de ella

energía útil tanto mecánica como eléctrica.

En Chile existen instalados alrededor de 4 parques Eólicos siendo el más grande Canela I, ubicado

en la región de Coquimbo. Este parque cuenta con once aerogeneradores de 1,65 MW cada uno,

con una generación anual esperada de 46.000 MW.

El uso de los aerogeneradores es una solución viable para producir energía limpia y si bien su

implementación presenta altos costos de instalación, su uso resuelve una problemática nacional.

Nosotros como Ingenieros Civiles Industriales buscamos modelar a escala un aerogenerador de

bajo costo que produzca la mayor cantidad de energía eléctrica posible, con el fin de potenciar el

uso de este mecanismo como fuente de energía para el país, impactando positivamente en el

medio ambiente y reduciendo el efecto invernadero.

El hecho de producir la mayor cantidad de energía utilizando la menor cantidad de recursos tiene

que ver con la óptima utilización de estos últimos, además de incentivar la utilización de los

aerogeneradores aumentando la cantidad de energía eléctrica producida por aerogenerador.

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Formulacio n del Disen o

Principio de operación de la turbina eólica.

Un aerogenerador es una turbina accionada por la energía del viento, cuya meta es tomar esta

energía, conocida como energía eólica, para utilizarla a nuestro favor.

El principal uso que se le da a estos aparatos, es la transformación de dicha energía eólica en

energía eléctrica, ya sea para uso directo, o con el fin de almacenar esta en baterías, para su

posterior uso.

Su principio está basado en la captación de la energía del viento –la que depende de factores

como densidad, volumen, velocidad, entre otras propiedades–, a través de un rotor; este se

encuentra compuesto por aspas y un centro que une dichas aspas, sobre el cual le atraviesa un

eje, que permite la rotación de este por efecto del viento sobre las aspas. El rotor lo que hace es

tomar este movimiento provocado por la energía eólica sobre las aspas, y la transforma, ya sea

directamente, o con ayuda de un multiplicador –cuyo objetivo es amplificar la velocidad de giro–,

en energía mecánica, la cual, posteriormente será captada por el eje de un generador, que

terminará convirtiendo esta energía, en eléctrica.

El principio de funcionamiento de aspas se basa en la aerodinámica; lo que ocurre es que el aire

atraviesa el perfil de las aspas, de tal forma que la velocidad en la parte superior, transita a una

mayor velocidad, que en la parte inferior, lo que trae como consecuencia una sobrepresión en la

parte inferior del perfil, y una depresión en la parte superior.

Fuente http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd99/ed99-0226-01/capitulo4b.html

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El resultado de esta diferencia de presiones da como resultante una fuerza, llamada fuerza de

sustentación, cuya componente es perpendicular a la velocidad del viento. Adicional a esto se

considera una componente que se suma a la fuerza de sustentación, que se conoce como la

resistencia aerodinámica, la cual aumenta si el área que abarca el aspa en la dirección del viento

aumenta. La suma de estas, genera una fuerza que se puede descomponer componentes

tangencial y normal al perfil. La componente tangencial es la responsable del movimiento del aspa

en la dirección deseada, mientras que la componente normal, se conoce como la fuerza de

empuje, que no genera trabajo, pero si una fuerza que afecta al rendimiento del aerogenerador.

Fuente http://www.ventiladorestecho.com/del-avion-al-ventilador.html

Ahora, existe cierto límite en el modelo de perfil de las aspas, ya que si estas se encuentran

demasiado inclinadas (en el sentido que favorezca la fuerza de sustentación), si bien aumentará la

velocidad en la superficie, también pueden ocurrir otros fenómenos, como lo es la turbulencia,

que hará que en su lugar, el aire gire de manera irregular sobre la superficie en forma de vórtice,

provocando una pérdida de sustentación

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Máxima potencia teórica

Ley de Betz

Formulada por primera vez por el físico alemán Albert Betz en 1919, nos dice que solo puede

convertirse idealmente menos de aproximadamente el 59% de la energía eólica, en energía

mecánica usando un aerogenerador (no se consideran las pérdidas que puede haber por roce u

otros factores).

Esta se basa en tres principios fundamentales, a describir:

a) Se puede considerar el aire, como un fluido incompresible (mantiene su densidad),

b) El flujo de aire a través del aerogenerador circula en una sola dirección y perpendicular a

las aspas,

c) El aerogenerador posee una cantidad infinita de aspas, que no presentan arrastre alguno.

Bajo estos supuestos ocurrirá que el flujo de aire por unidad de tiempo tanto antes de pasar por el

aerogenerador, como después, debería de tener el mismo valor, por lo que se tienen dos

resultados importantes que:

o Si el aerogenerador captara toda la energía del aire, el aire en la salida del aerogenerador

saldría con velocidad cero, lo cual es una contradicción, porque en dicho caso, el aire no

podría salir de la turbina, y no se habría extraído energía.

o Si el aire saliera por el otro extremo con la misma velocidad a la que entró, entonces este

no habría sido obstruido por ningún obstáculo, y por lo mismo, no habría extracción de

energía.

Explicado lo anterior, diremos que se tienen dos velocidades distintas en la entrada y la salida del

aerogenerador –específicamente en el rotor–, con lo cual Betz pudo suponer y comprobar (con un

pequeño margen de error), que la velocidad del viento en el rotor sería el promedio entre ambas

velocidades; dicho esto se puede obtener la masa que pasa por el rotor en un segundo.

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Con ayuda de la densidad y el área de barrido de las aspas, se obtiene:

(1) 𝑚 = 𝜌𝐴(𝑣1+𝑣2)

2

Con eso, y con ayuda de la fórmula de potencia que extraería el rotor del viento, según la 2° ley de

Newton dada por (cabe destacar que esta fórmula se utiliza cuando se tienen dos velocidades

distintas en la entrada y salida):

(2) 𝑃 =1

2𝑚(𝑣1

2 − 𝑣22)

La potencia con el aerogenerador entonces sería:

(3) 𝑃 =1

2𝜌𝐴

(𝑣1+𝑣2)

2(𝑣1

2 − 𝑣22) =

1

4𝜌𝐴(𝑣1 + 𝑣2)(𝑣1

2 − 𝑣22)

Y la potencia sin el aerogenerador de por medio quedaría de la siguiente forma (esta es la

auténtica forma, para una velocidad dada):

(4) 𝑃0 =1

2𝜌𝐴𝑣1

3

Por lo que la razón de ambas potencias (3) y (4) queda como:

(5) 𝑃

𝑃0=

1

4𝜌𝐴(𝑣1+𝑣2)(𝑣1

2−𝑣22)

1

2𝜌𝐴𝑣1

3=

1

2(1 +

𝑣2

𝑣1) (1 − (

𝑣2

𝑣1)

2)

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Finalmente, graficando 𝑃/𝑃0 𝑣𝑠 𝑣2/𝑣1, con el fin de encontrar la máxima razón posible se obtiene

el siguiente gráfico

Fuente http://www.motiva.fi/myllarin_tuulivoima/windpower%20web/es/stat/betzpro.htm

Observando la gráfica (o usando método de máximo con derivadas), se ve que alcanza su máximo

en un relación de velocidades 𝑣2/𝑣1 = 1/3, con un valor para 𝑃/𝑃0 de 16/27 ~ 0,59

Dicho lo anterior, teóricamente, la máxima potencia que podría generar un aerogenerador, dadas

las condiciones del túnel del viento:

Velocidad: 8 metros por segundo.

Diámetro máximo: 510 mm.

Y sabiendo que:

Densidad (T° ambiente): 1,185 kg/m3

La máxima potencia estaría dada por la siguiente ecuación, ajustada con la ley de Betz (esta

fórmula es la misma dada en (4), solo ajusta 𝐴 = 1

4𝜋𝑑2):

𝑃 = 0.59 ∗1

8𝜋𝜌𝑣3𝑑2

Resultando un valor máximo para un aerogenerador ideal de 36,56 W

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Cuantificación de las pérdidas de energía.

Cabe destacar que estos procesos de transformación de energía no rinden al 100%, y por lo tanto

en el proceso de transformación de energía eólica a mecánica, pueden afectar diversos factores,

como lo son la fuerza necesaria para romper la inercia del reposo, o los efectos de roce, mientras

que en el proceso de transformación de energía mecánica a eléctrica, puede existir pérdidas por

eficiencia del generador, ya sea en forma de calor, ruidos, o por temas nuevamente de roce.

Dado el modelo que utilizaremos y que se explicará más adelante, existe una cuantificación que

logramos rescatar de las presentaciones de nuestros compañeros, que a partir de la Ley de Betz,

rescata los coeficientes de máxima potencia que pueden alcanzar los aerogeneradores, dada su

morfología, y que se muestra a continuación:

Energía Mecánica

Energía Eléctrica Energía

Eólica

Pérdidas Pérdidas

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Por lo que se puede concluir que existe un límite menor en la eficiencia de la potencia, que la

establecida por Betz, es por esto que se busca usar el modelo que alcanza la mayor eficiencia (en

este caso el de tres aspas)

a) 𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎𝑒𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 = 40 − 50%

Por otro lado, una rápida vista al túnel de viento, demostró que hay otro factor que influirá en la

captación del viento, esto es una rejilla al final del túnel, que representa un obstáculo para el

viento entre el túnel y el aerogenerador, por lo tanto, estimamos una pérdida de:

b) 𝑃é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑒ó𝑙𝑖𝑐𝑎 = 5 − 10%

Lo que respecta al rotor, y la captación de energía eólica y posterior transformación en mecánica

(que no se debe olvidar, que pasa por un multiplicador entre medio), la estimación es de:

c) 𝑃é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑦 𝑚𝑢𝑙𝑡𝑖𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜𝑟 = 10 − 20%

Por último para el generador, y la transformación a energía eléctrica las pérdidas son:

d) 𝑃é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 = 5 − 20%

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Formas de minimizar las pérdidas

Como se sabe que hay una parte de las pérdidas que no puede ser evitada en la práctica, lo que

buscaremos es alcanzar el mínimo de estas, por lo que las medidas a considerar para esto son:

Para la morfología del aerogenerador (Alcanzar la eficiencia del 50%):

Diseñar el modelo de tres aspas

Diseñar las aspas de forma que el ángulo de estas tome la mayor cantidad de fuerza de

sustentación, y que este ángulo, no aumente el área de impacto, que afecte en la

fuerza de empuje

Seleccionar los materiales de las aspas adecuados, de forma que no sean muy densos,

ni muy blandos como para perjudicar la acción del viento, entre lo que están las

posibilidades de aluminio, PVC, o madera cholguán.

Para las pérdidas del rotor y multiplicador (Alcanzar una eficiencia del 90%):

Evitar el roce entre el rotor y el eje que lo sostiene, permitiendo el libre giro, pero a la

vez que sea de un grosor adecuado, de modo que el rotor gire respecto a su eje

central, y no oscile debido al exceso de espacio libre entre el anillo del rotor y el eje.

Fomentar el roce en el sistema del multiplicador entre multiplicadores, valga la

redundancia de forma de evitar rodamientos (engranajes o poleas), y el libre giro de

estos alrededor de sus ejes, para evitar su estancamiento, o giro oscilatorio.

Evitar usar un número exagerado de multiplicadores que solo consiga estancar el

movimiento del sistema entero, en vez de alcanzar su fin de amplificar la velocidad del

rotor al eje del generador

Para las pérdidas del generador (Alcanzar una eficiencia del 95%):

Verificar que el eje del generador gire con la menor cantidad de roce posible

Verificar que no haya imperfecciones o problemas con la morfología del motor.

Utilizar conectores de buena conductividad

Comprobar que el generador no genere calor extra, o ruidos, ya que esto indicaría un

mal funcionamiento en su interior, que se hace difícil para nosotros solucionar.

Hacemos un punto a parte, para decir que para el caso de las pérdidas eólicas, no es algo

que se pueda regular directamente por nosotros mismos, solo corresponde a una

estimación por los valores que podría estar oscilando.

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Potencia ideal que entregará el aerogenerador:

Posicionándonos en el mejor o peor de los casos se tienen los siguientes valores de eficiencia:

Eficiencia Máxima eficiencia Mínima eficiencia

Aerogenerador 50% 40%

Eólica 95% 90%

Rotor y multiplicador 90% 80%

Generador 95% 80%

Como se sabes que cada componente del aerogenerador se encuentra en serie, se debe

considerar que la eficiencia total que se obtendrá mediante efecto multiplicativos de cada una de

estas. Dicho esto, y bajo un escenario de máxima eficiencia, el total de la eficiencia alcanzaría un

valor de:

𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 = 38,475%

Para el caso de la mínima eficiencia el valor correspondería a:

𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 = 23,04%

Por último, para los cálculo cuantitativos de la energía máxima alcanzable para nuestro

aerogenerador en específico, se debe considerar que el único valor que cambiará será el largo de

las aspas, el cual se estima de unos 20 cm, con el fin de evitar que haya espacios que no sean

aprovechados por el túnel del viento, lo que a los sumo generaría un área de barrido de

aproximadamente 𝑑~ 45 𝑐𝑚 (se considera también la unión de las aspas), por lo que los valores

de las potencias obtenidos serían:

𝑃𝑀á𝑥𝑖𝑚𝑎 = 0.38475 ∗1

8𝜋𝜌𝑣3𝑑2 = 18,56 𝑊

𝑃𝑀í𝑛𝑖𝑚𝑎 = 0.2304 ∗1

8𝜋𝜌𝑣3𝑑2 = 11,16 𝑊

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Diseño

El modelo a utilizar y sus respectivas partes, se muestra a continuación:

1.- Rotor

2.- Multiplicador

3.- Generador

4.- Ejes

5.- Soporte de generador

y ejes

6.- Torre

7.- Base

Fuente: Diseño propio en Sketch Up

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Rotor:

Compuesto por las tres aspas. De 20 cm de largo cada una, y ancho entre 5 y 10cm (el cual

dependerá de los ensayos y resultados), diseñadas por el material a determinar (PVC, aluminio, o

madera cholguán), se encuentran unidas por una semiesfera, cuyo fin es desviar el viento hacia las

aspas, de modo de evitar pérdidas por efecto de obstáculos al flujo, y que gran parte de este se

recupere para ser impulsar las aspas

Multiplicador:

En la práctica, son una serie de engranajes que se unen de forma de poder amplificar la velocidad

de giro del rotor, para que alcance una velocidad mayor de giro en el eje del generador. El

fundamento está en el uso de engranajes grandes y pequeños, de forma que en el rotor, en el

mismo eje este conectador un engranaje de gran tamaño, que traspase su velocidad tangencial (es

decir el perímetro que recorre por unidad de tiempo) a un engranaje de menor tamaño, por medio

de correas, cadenas, o contacto directo, de esta forma, el engranaje pequeño girará a una mayor

velocidad angular (vueltas por segundo), y este a su vez traspasará esa velocidad angular, a un

engranaje de mayor tamaño que se encuentre en su mismo eje.

En nuestro aerogenerador, consistirá en una serie de poleas, las cuales se unirán mediante

correas, o por acoplamiento con una resistencia de por medio, dependiendo de cómo rinda cada

tanto cuando comienza a girar el rotor, como cuando se encuentre en su máximo

A continuación se muestra una aproximación de lo que se desea conseguir:

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Ejes:

Correspondes a los puntos de apoyo, sobre los cuales se busca que tanto el rotor, como los

engranajes del multiplicador puedan girar libremente. Estos se ajustarán de tal forma que tanto en

la parte frontal del soporte como en la lateral, exista una especie de golillas, que eviten que el eje

se pueda deslizar libremente en la dirección del viento; las golillas van consideradas desde trozos

de madera o metal insertables, a simplemente tornillos que atraviesen el eje

Soporte:

Como su nombre lo indica, busca albergar tanto a los ejes, como al generador, para que estos se

encuentren en una ubicación específica, y no entorpezcan el proceso de transformación de

energía, gracias a la fuerza de empuje del viento.

Como debe proteger el interior, y debe ser resistente, se considera el uso de plásticos que pueden

ser PVC, o botellas de plástico.

Torre:

Viene a ser el elemento que da altura al aerogenerador, de forma de evitar el roce de las aspas

con la superficie de apoyo. Se debe utilizar un material pesado, y los más delgado posible,

pudiendo ser una alternativa, un manubrio de bicicleta

Base:

Supone el punto de apoyo para todo el sistema, y que tendrá la importante misión de mantener al

aerogenerador firme, ya que la propia estructura puede tener su centro de masa en un lugar

indeseado, tanto cuando no está sometido al viento, como cuando si lo está.

Por experiencias anteriores, se analiza el uso de discos pesados, como los del freno de un auto, ya

que son pesados y grandes

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Presupuesto

Se estima que en la fabricación del aerogenerador se utilizaran los siguientes materiales, estos han

sido evaluados a precio de mercado.

Material Costos

Motor $2500

Tubo de PVC $1100

Tubo de Aluminio Reciclado $2000

Polea (2) $3000

Madera $5000

Goma de Caucho Reciclada $2000

Total $15600

En total se proyecta gastar $15600 lo cual se encuentra dentro del máximo dinero permitido para

invertir.

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Conclusiones

Luego de analizar y evaluar los tipos de aerogeneradores que existen podemos llegar a la

conclusión de que los aerogeneradores de eje horizontal alcanzan mayor eficiencia en la práctica,

dado que los aerogeneradores de eje horizontal, a diferencia de los de eje vertical, aprovechan

más el viento. La altura que se consigue situar el eje que mueve el generador es muy superior a los

anteriores y ahí radica que estas turbinas eólicas sean las más utilizadas en la actualidad, pues su

tecnología sigue creciendo no solo por la altura sino por la calidad y medios mejorados de los

componentes que se utilizan en la generación de electricidad.

Para finalizar, se hace un énfasis en la explicación del número de aspas a utilizar, para no entrar en

detalle en la práctica, y por las experiencias pasadas del curso del semestre pasado, la mejor

alternativa consiste en utilizar 3 aspas, debido a que en simples términos, los aerogeneradores de

mayor velocidad de rotación utilizan un número de 4 aspas o menores, las razones por las que no

se usan las de dos o cuatro aspas, es porque la distribución de los pesos en forma simétrica,

obstruyen en el libre movimiento de las aspas y representas más prejuicios que beneficios, y la

razón por la que no se usa una aspa, es por un tema de peso, ya que le es más difícil girar dado

que requiere de contrapesos, y entre otras dificultades