[12] Curso Eólica - Torres

8/3/2019 [12] Curso Elica - Torres

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Torres

Los generadores elicos viven en torres altas. Esto es por una razn, su combustible est allarriba, y como veremos, la calidad de este combustible mejora radicalmente a medida que

aumentamos la altura.

Fsica (muy bsica)La potencia disponible en el rotor de un generador elico est dada por la frmula:

P = r A v3

Siendo:P, la potencia del viento por unidad de superficie, en W.r, la densidad media del aire, en kg/m3

A, el rea circular barrida por el rotor en m2

v, la velocidad del viento en m/s.

Considerando las variables: Cmo obtener mas potencia?

En lneas generales, el aire es mas denso a menor temperatura, por ende en invierno. Comoresultado, el generador producir mas energa en invierno que en verano.

Densidad del aire a presin atmosfrica normal.

Temperatura (C) Densidad (Kg/m3) Contenido de agua (Kg/m3)

-25 1,423

-20 1,395

-15 1,368

-10 1,342

-5 1,317

0 1,292 0,005

5 1,269 0,007

10 1,247 0,009

15 1,225 (*) 0,01320 1,204 0,017

25 1,184 0,023

30 1,165 0,030

35 1,146 0,039

40 1,127 0,051

(*) La densidad del aire seco a presin atmosfrica a nivel del mar a 15 C se utiliza como estndaren la industria elica.

Pgina 1 de 16 - Elica: Ubicacin y Torres


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De todas formas, no hay mucho que podamos hacer respecto de la densidad del aire, ya que es unacondicin meteorolgica.

El rea de barrido es la siguiente variable en nuestro generador.El rotor captura la potencia que traen las molculas de aire en movimiento al pasar estas por surea de barrido. Es lgico pensar que, a mayor rea, mayor ser la cantidad de molculas a las que

les estaremos robando esta energa.

El rea se define por la frmula A = r2.

Cmo en la frmula es el cuadrado del radio (largo de pala o alabe), duplicando el rea del rotor,cuadruplicamos el rea de barrido.

Por ejemplo:Incrementemos el rotor de un generador de 3 a 6 metros.El rotor de 3 metros tiene un radio de 1,5 m; por lo tanto el rea de barrido es de 7 m2.Vemos ahora el rotor de 6 metros: 28,3 m2!

A primera vista, parece fcil decir que para incrementar la energa del generador, solo hay que haceralabes mas grandes, pero, incrementando en un 400% el area, tambin incrementamos en un 400%las tensiones en la torres, y en general de todos los componentes mecnicos. Si bien esto puederesolverse, econmicamente se disparan los valores a las nubes.

Y llegamos a la ltima variable posible: velocidad del viento en m/s.El aumento de velocidad tambin incrementa la cantidad de molculas que pasan por el rotor, perocomo la velocidad est al cubo en la ecuacin, es la variable que tendr mas impacto en el resultado.

Veamos un ejemplo:En nuestro generador de 3 m de rea, a una velocidad de 3,6 m/s tenemos: 200 WMismo caso, a 6 m/s: 926 W

Con todo esto concluimos que, obtenemos lo mejor de nuestro generador cuanto mas viento pasepor el rea de barrido, no aumentando el largo de los alabes, y ciertamente no hay mucho quepodamos hacer respecto de la densidad.

Dinmica de los fluidos

El agua es un fluido, y para aprender como se mueve, podemos observar corrientes de agua moverseen ros o arroyos. Lo primero que notaremos es que el agua se mueve mas rpido en el centro de lacorriente que cerca de los bordes. Esto se debe a la friccin que se produce entre el fluido y el bordedel arroyo o canal. En nuestro caso sera entre el aire, y la tierra, rboles, edificios, etc.

A medida que nos alejamos del suelo, el aire fluye con mayor libertad, alcanzando velocidadesmayores. Este efecto es producido por la rugosidad del terreno.

Otro aspecto a tener en cuenta es la distancia de la rugosidad, que hace referencia a la distancia deesta sobre el nivel del suelo.



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Tabla de clases y longitudes de rigurosidad (*)

Clase derugosidad

Longitud de larugosidad (m)

Indice deenerga (%)

Paisaje

0,0 0,0002 100 Superficie del agua.

0,5 0,0024 73 Terreno completamente abierto con unasuperficie lisa; por ejemplo, pistas de hormignen los aeropuertos, csped cortado, etc.

1,0 0,0300 52 rea agrcola abierta sin cercados ni setos y conedificios muy dispersos. Slo colinassuavemente redondeadas.

1,5 0,0550 45 Terreno agrcola con algunas casas y setosresguardantes de 8 metros de altura, con unadistancia aproximada de 1250 m.

2,0 0,1000 39 Terreno agrcola con algunas casas y setosresguardantes de 8 metros de altura, con unadistancia aproximada de 500 m.

2,5 0,2000 31 Terreno agrcola con muchas casas, arbustos yplantas, o setos resguardantes de 8 metros dealtura, con una distancia aproximada de 250 m

3,0 0,4000 24 Pueblos, ciudades pequeas, terreno agrcola,con muchos o altos setos resguardantes, bosquesy terreno accidentado, y muy desigual.

3,5 0,8000 18 Ciudades ms grandes con edificios altos.

4,0 1,6000 13 Ciudades muy grandes con edificios altos yrascacielos.

(*) Atlas Elico Europeo(1991).

Tambin podemos encontrarlo en bibliografa de la siguiente manera.



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Estas tablas, bibliografa de Home power Magazine #40 1991, se utilizan de la siguiente manera:

Suponiendo que nuestro sitio es abierto, una clsica granja, elegimos el factor de la Tabla 1 el

coeficiente 0.24. Tenemos una torre de 100 pies, entonces en la Tabla 2 buscamos la altura de 100pies, y el coeficiente de 0.240. Los parmetros se juntan en el factor 1.355. Multiplicamos estecoeficiente por el factor que obtuvimos de la torre como viento promedio, en este caso 9 mph, yobtenemos un promedio anual de vientos de 12 mph.

Los obstculos son otro factor importante a tener en cuenta, ya que generan turbulencias,disminuyen la velocidad del viento y cambian su direccin.

La turbulencia reduce la energa que transporta el aire en forma laminar, depreciando la calidad delcombustible.



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Una regla muy importante para la ubicacin de pequeos generadores es:

Regla de Oro: La turbina debe estar a 9 metros por encima de todo

obstculo dentro de un radio de 150 m. Incluyendo los alabes en

todas sus posiciones.

O, en alguna bibliografa, la distancia debe ser 5 veces la altura del obstculo. Aunque este nmeroes utilizado normalmente para equipos de mayor envergadura.

Como vemos en el grfico, el incremento de la velocidad en relacin a la altura es exponencial.

Por ejemplo:Con una velocidad del viento de 3 m/s a 6 m de altura (20 pis) usamos un incremento de 1,6 sehace esta cuenta:La velocidad del viento al nivel del piso * el factor de incremento a cierta altura= velocidad a esaaltura.Si tenemos 3 m/s a 6 metros de altura, dividimos la altura por el factor de incremento, que es 3 m/s /1,25 (20 pies) = 2,4 m/s a nivel del piso. Entonces, a 30 metros (100 pies) el factor es 1,93.Calculamos: 2,4 m/s * 1,93 = 4,63 m/s.

Tambin debemos considerar que, en caso de que nuestro sitio de instalacin est rodeado por unbosque, nuestro piso es la lnea continua que nos sugiere la copa de los rboles de ese bosque, por

ende, debemos construir nuestra torre, 9 metros por encima de este piso, considerando losincrementos y los 150 metros alrededor de este pozo en el que nos encontramos.

Ubicando la torre en el terreno

Debemos inspeccionar visualmente el sitio que deseamos proveer con energa por medios elicos,para determinar el mejor lugar posible para el emplazamiento de la torre.

Instalar una torre involucra zapatas de concreto, excavacin, y una obra civil de cierta envergadura,por lo que tenemos una sola oportunidad para hacerlo. El concreto no es muy permisivo, y corregirun error de ubicacin puede ser muy costoso.



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Las herramientasUna de las herramientas de las que disponemos, y a la que todos podemos recurrir son los datosmeteorolgicos, y tablas de localidades donde figura la velocidad del viento en promedio, pero aciencia cierta, los equipos e instrumentos que registran estos datos, no suelen estar a la altura a laque queremos instalar el generador, sino en torres de aerdromos, o estaciones meteorolgicas, queno respetarn el criterio de la Regla de Oro, y por ende su medicin ser relativa a nuestro sitio en

particular.

Siempre es un parmetro general, que nos dar una primera impresin, pero hay otras herramientasmuy valiosas para determinar nuestro sitio de instalacin, entonces revisemos la lista deherramientas

Promedio anual de velocidad del viento. Direccin de viento predominante. Vegetacin y edificios en el lugar. Rugosidad de la superficie. Tipo de instalacin: directa o con banco de bateras.

Sabidura popularSiempre es interesante recabar informacin de la gente del rea donde se va a instalar el generador,y muchas veces ellos nos podrn dar informacin que un determinada velocidad del viento en unalocalidad a 30 o 100 km del sitio no puede brindarnos.

Es importante escuchar lo que la gente del lugar tenga para decir al respecto.

Vegetacin en bandera

Otro mtodo til para determinar que tan ventoso

es el lugar, es observar la vegetacin en el rea dela instalacin. Es mas notorio en arboles que seencuentren en solitario que en bosques, ya que unsolo ejemplar sufre la totalidad del impacto delviento.

Las conferas son los arboles predilectos paratomar este parmetro, por su forma particular, y lo

perenne de sus hojas.

Convertido en m/s:Index I II III IV V VI VII

Velocidad del viento 3,1 a 4 4 a 4,9 4,9 a 5,8 5,8 a 7,15 6,7 a 8 7,15 a 9,38 9,83



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Repasando: Aprovechar la experiencia de los vecinos, preferentemente los que lleven mas tiempo en la

zona. Observar la vegetacin. Consultar por ventisca, tormentas de polvo o cualquier anomala que pueda afectar el

generador. Utilizar la tabla de viento del servicio meteorolgico local.

Cuanto es suficiente?

En la bibliografa encontraremos que para un sistema con carga de bateras, una velocidad promediode 3 m/s ser suficiente (en la estacin de meteorologa).

Para conexin directa, 3,5 m/s es aceptable.

Anlisis de sitio para ubicacin de la torre

Cmo venimos viendo, hay varios factores que debemos considerar del rea donde vamos a instalarnuestro equipo, pero un factor muy importante es que debemos tenerlo cerca, y donde sea masventoso.

Informacin a recopilar

Planta de la vegetacin circundante y edificios cercanos. Direccin del viento predominante. Voltaje del sistema. Rugosidad del terreno.

Algunos de estos factores los estuvimos viendo anteriormente, como es el caso de la vegetacin.

Para determinar la altura de la torre seguiremos varios criterios.

Criterio #1: minimizar turbulencias.

La turbulencia es un factor muy importante, como ya mencionamos, y en el grfico podemos vercuanta superficie del terreno puede verse afectada por esta.

Aplicando la Regla de Oro, para todo generador domiciliario, 9 metros por encima de cualquierobjeto o rbol 150 metros a la redonda alcanzar.

Criterio #2: observar los vientos predominantes.



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En las dos figuras podemos ver la planta del lugar de la instalacin y un croquis de los vientospredominantes.

Luego de tener estos 2 esquemas, debemos proseguir con el Criterio #3: colocar la torre delante delos vientos predominantes, frente a los edificios, o arboles.

Son vientos de cambio reza el refrn, y si bien el viento no sopla siempre en la misma direccin,debemos justamente utilizar el criterio de los vientos predominante y sacrificar algo de potencia enciertos perodos. Lo que nos lleva al Criterio #4: minimizar las zonas comprometidas, por endemaximizar el recurso elico.

Salvo que instalemos una torre mvil, algo que suele ser caro y engorroso de manejar, debemosconformarnos con perodos de menor rendimiento.

Electricidad bsica

La Ley de Ohm y el trabajo elctrico son las 2 variables que mas utilizaremos en esta parte:

Ley de Ohm

Trabajo Elctrico

En un sistema elico, las prdidas por cableado pueden llegar a ser considerables, porquenormalmente los generadores no se erigen en sitios muy cercanos a los consumos.

Debemos hacer hincapi en que las instalaciones sobre los tejados no son recomendables. Si bienhan surgido modelos especficos para este tipo de instalacin en el mercado, en este curso veremos

pequeos modelos de generacin domiciliaria disponibles en nuestro pas, o autoconstruibles, que

no son recomendados para roof-top, instalaciones sobre techo.



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La razn principal de esto es que las vibraciones y tensiones a las que es sometida la torre, setransmitirn a toda la estructura de la construccin, que en muy pocos casos est preparada para esteagregado. Sobretodo si se est incorporando la generacin elica a una zona donde lasconstrucciones son viejas y tradicionales, sin sistemas antibibracin.

Al vibrar la torre, la construccin resonar con ella, amplificando las vibraciones, pudiendo hastadestruir por efecto de la resonancia la estructura de soporte.

Volviendo al tema elctrico, el cableado debe incluir: la altura de la torre; el trayecto a los sistemasde control y las bateras, y por ltimo a los consumos, conversor de por medio si fuera necesario.

La prdida de tensin es la resistencia del cable (en ohms x distancia) multiplicada por lacorriente que lleva el mismo.

Simplificando, para una misma seccin del conductor, duplicar el voltaje nos permite colocar elgenerador 4 veces mas lejos de lo previsto

Podramos decir que aumentando la tensin, obtenemos mas flexibilidad con respecto a la ubicacinde la torre.

Para circuitos monofsicos la frmula es la siguiente:

Cada de tensin = Ampers X Resistencia delconductor cada 1000 (300m) X distancia enmiles de pies X 2 cables.

Para circuitos trifsicos:Cada de tensin = 0.866 X Ampers X Resistencia delconductor cada 1000 (300m) Xdistancia en miles de pies X 2 cables.

Tambin encontramos la tabulacin simplificada de lacada con respecto a la distancia y la seccin delconductor. Estos valores deben ser considerados conun margen de error, acorde a otros factores, como sertemperatura, resistencia especfica del conductor, etc.

Para poder trabajar con baja tensin (voltaje), una delas soluciones prcticas que se encuentran en grancantidad de aerogeneradores es la de usar mltiplesfases de corriente alterna.

Esto nos permite dividir la corriente generada por la

cantidad de fases, y es transportada por cables independientes. Los alternadores de 3 fases, por



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ejemplo, nos permiten distancias mayores entre los componentes.El mtodo del baln

El siguiente mtodo ha sido descripto en la bibliografa para averiguar cual es la altura mnima enuna cierta locacin ea la que deberamos instalar nuestro generador.

Para realizar esta medicin necesitaremos un globo meteorolgico, o cualquier tipo de globogrande, lleno de helio o algn gas comercial para globos de cumpleaos, siempre mas liviano que elaire.

Debemos atar a este globo una cinta ocordn de nylon de 30 a 35 metros; esta serla linea de medicin. Cada 3 metrosataremos un pedazo de papel crepe o similara lo largo de la linea de medicin.Atamos una segunda cinta o cordn alglobo, de 60 metros, aproximadamente, esta

ser la linea de tensin.

Desplegamos nuestro globo como se ve en lafigura, y observamos con detenimiento.

Observaremos que las tiras de papel crepe se mueven con el viento, en diversas direcciones, hastaque a partir de una determinada altura, solo flamean en una direccin, esta ser la altura mnima a laque las turbulencias empiezan a desaparecer, y el flujo de aire laminar es continuo (o casi).

Tambin debemos tener en cuenta 2 parmetros que observaremos:1. Superficies mas rugosas producen mayor turbulencia, sobretodo a velocidades de viento

mayores.2. Si debemos estar hacia abajo de los edificios, donde existen turbulencias, debemos

elevarnos lo suficientemente alto como para evitar la zona de turbulencia, donde el flujolaminar es continuo. Recordemos que las aspas deben estar completamente por encima de laturbulencia.

Estimando las alturas de los edificios o arboles

Podemos estimar las alturas de los edificiosutilizando las sombras.

Para ello clavamos una estaca de una alturadeterminada (4 pies en la figura) y medimos lasombra. Luego medimos la sombra del edificio yaplicamos la siguiente frmula:

(Altura de estaca / longitus de su sombra) * sombradel edificio.



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Otra forma de obtener las alturas es mediantetrigonometra.

Utilizamos una regla o estaca de la cual sabemos la

medida y aplicamos la frmula de la ilustracin.

As obtendremos la altura del edificio o de losarboles que deseamos medir.

Bosques y Arboles

No hay mucho que decir respecto de este punto, pero la regla mas importante aqu es: los arbolescrecen, las torres no.Es importante conocer, o consultar por las especies de rboles cercanos, y sus alturas mximas,cmo para estimar una buena ubicacin.

Otro caso que suele presentarse en las zonas boscosas es el de los pozos de aire.Suponiendo que nuestra propiedad est a 200 m de la linea final de arboles, y situamos nuestra torretomando todas las consideraciones que hemos mencionado anteriormente. Pues, a pesar de queestamos a 150 metros de cualquier obstculo, nuestro piso ser la lnea de las copas d ellosarboles del bosque circundante, como si la propiedad estuviera en un pozo o depresin del terreno.

RECAPITULANDO

Una correcta locacin y diseo de nuestra torre nos permitir obtener lo mejor de nuestro generador,optimizando la relacin coto/beneficio de la instalacin.

Resumiendo:1. Debemos minimizar la turbulencia.2. La torre se debe ubicar a 150 metros de cualquier construccin o parapeto, y el generador

debe estar 9 metros mas alto que cualquier cosa en ese radio.3. La torre se debe ubicar de frente a los vientos predominantes, y antes que los posibles

obstculos.4. Minimicemos los compromisos en la ubicacin teniendo en cuenta longitudes de cables,voltaje del sistema y altura de la torre.

5. Consideremos tensiones mayores para el generador o mltiples fases.6. Las superficies mas rugosas nos dan vientos mas turbulentos.7. Los arboles crecen, las torres no.8. Nunca instalemos la torre directamente sobre una construccin.



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TORRES ERIGIBLES PARA GENERADORES DE VIENTOEl material de este artculo es una traduccin autorizada del original Wind GeneratorTowers preparado por la gente de Otherpower.com .

Disponer de una torre robusta es muy importante para colocar un generador de viento. Deno ser as se corre el riesgo de verla caer al suelo. Piense en gastar lo mismo o ms en latorre que lo que gast construyendo el generador. Como una torre es una estructura fija,

bsquele un buen sitio. Su generador debe estar a una altura ideal no menor de 10metros por encima de cualquier obstruccin en un radio de 30 metros. Si eso no esposible, tome en cuenta que la turbulencia del aire le quitarn parte de la fuerza disponibledel viento y le inducirn esfuerzos adicionales al molino. La turbulencia ocasiona girosviolentos al equipo que le imponen esfuerzos inmensos a aspas que giran a altavelocidad.

TORRES ERIGIBLES

Una de las razones que nos mueven a emplear este tipo de torre es la de proveer diseosa personas que no tienen mayor inters en ascender a las alturas por mucha razones,todas ellas vlidas. Este artculo lo vamos a dedicar a la variedad a las torres que cuyaereccin tiene lugar desde el suelo. Estas torres se pueden fabricar de postesdesechados, torres de radio y torres de tubos empalmados.

La caracterstica de estar torres viene dada por cuatro vientos, una base oscilante y unacarrucha para impulsarla hacia arriba. Para elevar la torre, dos vientos opuestos sonajustados a sus anclajes mientras la torre est en el suelo. As se evitan desplazamientoslaterales. Uno de los vientos libres, despus de cortado a su longitud, es ajustado paraimpedir que la torre caiga una vez que llegue a la vertical y el ltimo es acoplado a unmedio que la hale hacia arriba (Vehculo, gra liviana o personas). Una vez que la torresest vertical todo se reduce a apretar los tirantes de los vientos. Para bajarla basta coninvertir el procedimiento. Los diagramas que siguen muestran brevemente el proceso.



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Materiales de la torre

Madera. Los postes de madera son efectivos y econmicos. En oportunidades puedenusarse rboles altos perforando un agujero de una pulgada cerca de la base de la bisagray colocando un collar de metal alrededor de la base del rbol para fijar a la torre. Elproblema de este tipo de instalacin es que los rboles se mecen con la brisa.

Tubos metlicos. Estos son nuestros favoritos. Empleamos tubos galvanizado de dospulgadas. El alto mximo recomendado es el de dos tramos de tubo (Aproximadamente10 11 metros). Es importante fijarle vientos al sitio de unin de los dos tubos y reforzarlacon un extensor dentro del anillo de unin de manera que se proyecte dentro de los dostubos unidos.

Tejidos de Metal. Estas torres son las que usan mucho los radio aficionados. Son livianas(Aluminio) pero muy caras. Estas torres no estn diseadas para ser izadas pero susbases pueden ser modificadas para que lo sean.



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Las Bases

La base de un generador de viento debe ser muy robusta y muy en especial su bisagra.Estas unidades son sobre las que se apoya la torre en el proceso de ereccin y sudebilidad ocasionar la cada de todo el conjunto que se va a izar. Es slo en esosmomento cuando existe el mayor esfuerzo sobre la base y la bisagra. Vea los detalles desu construccin ms abajo.

Anclajes a la Tierra

Los vientos deber ser tambin muy robustos, pues habrn de soportar los impulsoslaterales que el molino le imprimir a la torre. A medida que las aspas aumentan develocidad casi se transforman en una pared frente al viento. Los anclajes de los vientos sevalen de la fuerza del suelo que los rodea para proveer sustentacin.

El radio de los vientos debe ser entre 50 y 75 por ciento del alto de la torre. Deben quedarperfectamente perpendiculares entre s. Emplee tensores de buena calidad y emplee losprotectores que hay para evitar presionar directamente sobre el alambre de los vientos.

No use tensores de ganchos sino de argollas enterizas. Coloque la brida del tensor en ellado donde est la tensin, no en el lado opuesto. Apriete bien las tuercas de sustensores.

Los anclajes de concreto son los mejores. Para asegurarse que se fijan a su sitio debenser acampanados. Dentro del concreto puede fijarse una argolla de cabilla que servirpara pasar los vientos. Esta argolla debe quedar paralela a la torre.

A veces una roca grande puede servir de anclaje. Hay que hacerle un agujerorelativamente profundo en un ngulo contra la torre para insertar en ella la argolla decabilla. Posteriormente este agujero se tapar bien sea con cemento o con resinaepxica.

Vibracin

Las torres de los molinos de viento encaran vibraciones todo el tiempo. El rotor, loscambios constantes en la direccin y velocidad del viento ocasionan vibracionesharmnicas que pueden o no ser escuchadas. Asegure todas las tuercas de la torre. Si lasvibraciones son muy intensas aada cuatro vientos ms a la torre.



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Cuidados:1. Chequear 3 veces todos los anclajes antes de empezar a izar la torre.2. Asegurarse de que nadie. NI PERSONAS NI ANIMALES se encuentren en el

posible rea de cada de la torre3. Hacer una prueba, sin en generador, del izado.4. Realizar los movimientos lentamente, sin golpes al llegar al final del recorrido.

La torre

Una de las torres mas sencillas es la tubosde acero de 3. Normalmente se utilizan 2secciones, unidas una sobre otra, de 6metros cada una. Estas dimensiones sonapropiadas para turbinas de 2 a 3 metrosde dimetro de rotor.

Tambin se utiliza un cao de palanca, parael izado de la estructura. Este cao hartodo el esfuerzo al momento de izar latorre, y cuanto mas largo mejor. Algunasveces se refuerza la unin con un ngulo(entre la palanca y la torre) pero no esestrictamente necesario.

Tambin tenemos un cable grueso, queutilizaremos para la tarea, de 9 mm, que vade la punta de la torre al final de la palanca.

Con esta torre tenemos 2 juegos de cables de gua por lado, uno lo mas alto posible,teniendo en cuenta el dimetro del rotor, y el segundo en el punto donde se unen ambostramos de cao.



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Bibliografa:

Home Power #37 October / November 1993

Home Power #38 December 1993 / January 1994

Home Power #39 February / March 1994

Home Power #40 April / May 1994

Home Power #41 June / July 1994

home power 99/ february & march 2004

home power 105 / february & march 2005

Otherpower.com .

scoraigwind.com


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