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AERODINÁMICA DE TURBINAS EÓLICASDE BAJA POTENCIA
Bruno Storti, Ignacio Peralta, Sebastián Carenzo
Laboratorio de Flujometría (FLOW) - Departamento Ingeniería
MecánicaFacultad Regional Santa Fe - Universidad Tecnológica
Nacional
Lavaise 610, Santa Fe (S3000ZAA),
[email protected]
Palabras claves: Energías renovables, Energía Eólica, CFD.
RESUMENEl objetivo general de este trabajo es obtener diseños
óptimos de turbinas eólicas debaja potencia mediante la simulación
por computadora, utilizando herramientas demecánica de fluidos
(CFD) para aumentar la eficiencia aerodinámica de los álabes.
Sepersigue mejorar la producción específica de energía de los
aerogeneradoresdisponibles en el mercado, lograr la generación de
energía con bajas velocidades deviento, y reducir el ruido que
generan en operación. Estos resultados preliminares son parte
inicial de un proyecto PID que propone unaporte original y de
impacto significativo en el diseño de álabes para turbinas
eólicas:utilizar elementos finitos inversos (IFEM) para determinar
la geometría de fabricacióndel álabe, tal que al ser sometido a las
cargas de operación y sufrir grandesdeformaciones, recupere
exactamente la geometría aerodinámica óptima. Estopermitirá mejorar
la eficiencia del aerogenerador en la condición de operación.
INTRODUCCIÓNEl abastecimiento de energía se ha convertido en un
elemento vital para el crecimientode las economías de la mayoría de
los países. Los altos costos de importación dehidrocarburos, y los
problemas asociados al cambio climático, han impulsado elestudio de
fuentes renovables y limpias para producir energía [1], siendo la
industriaeólica la que se ha consolidado como la mayor productora
de energía renovable anivel mundial. Las turbinas eólicas de eje
horizontal se clasifican en turbinas de baja potencia siproducen
hasta 50 KW [2]. Los elementos principales de toda turbina son los
losálabes (están ubicados en el rotor, y transforman la energía
cinética del viento enenergía mecánica al eje de la turbina), un
generador de energía eléctrica, y una torresoporte [3]. La potencia
que genera la turbina es función de cuatro parámetros: de
ladensidad del aire del área del rotor A, de la potencia cubica de
la velocidad delviento V, y del factor de operación de la turbina
CP [4], tal como expresa la Ecuación(1).
P= 12
ρCP AV3
La potencia generada para una determinada velocidad de viento y
diámetro de rotor,es función del factor de operación CP. El factor
de operación CP resulta del producto de tres parámetros: de la
eficienciaaerodinámica de los álabes ηA, de la eficiencia de la
transmisión mecánica ηT, y de laeficiencia eléctrica del generador
ηE [5], y se pone de manifiesto en la Ecuación (2).
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Ecuación (1)
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CP=ηA ηT ηE
Mientras que la eficiencia de la transmisión mecánica ηT y del
generador ηE tienenvalores elevados, del orden del 80%, la
eficiencia aerodinámica de los álabes ηA, sueleser del 10% o 15%
para turbinas eólicas de baja potencia [5]. Este reducido valor
dena ηA es consecuencia de las simplificaciones geométricas
realizadas al fabricar losálabes , y de la falta de estudios
aerodinámicos profundos para diseñarlos.Aumentando ηA (lo cual
implica mejorar la aerodinámica de los álabes) es posibleproducir
más energía, sin tener que recurrir a aumentar el tamaño de la
turbina, o aprecisar mayores velocidades de viento [6]. Desde
principios del siglo XX se conoceque ηA tiene un límite teórico
máximo de 59.3% (conocido como límite de Betz),aunque la práctica
resulta sensiblemente menor debido a diferentes pérdidas:
aquellasoriginadas por la geometría (perfil aerodinámico), por el
efecto de punta, por el númerofinito de álabes (pérdidas de
Schmitz), y por el cambio de dirección del viento alatravesar el
rotor (pérdidas de Whirlpool) [7].Por lo tanto, en este trabajo
proponemos estudiar mediante simulaciones con CFD loscoeficientes
de empuje (lift) y arrastre (drag) de los álabes (incluyendo los
efectosviscosos muchas veces ignorados en turbinas eólicas [8]), el
torque generado por laturbina. los vórtices y la separación de
flujo para distintos ángulos de ataque de losálabes. La entrada en
pérdida en función de cada ángulo de ataque, se analizará
paradeterminar el ruido producido por la turbina en operación.
OBJETIVOSEl objetivo general de este trabajo es estudiar y
optimizar la aerodinámica de losálabes de turbinas eólicas de baja
potencia mediante simulaciones computacionalesde CFD. Se pretende
mejorar el coeficiente de empuje (lift), y reducir el coeficiente
dearrastre (drag), reducir los vórtices y desprendimientos de
flujo, y reducir los niveles deruido. La velocidad de viento
utilizada para los cálculos por CFD esta comprendida enel rango de
5 y 10 m/s, el largo de los alabes entre 5 y 7 metros, la altura de
la turbinaes de 20 metros, y la potencia que se pretende obtener es
aproximadamente 30 KW.
METODOLOGÍALas ecuaciones de Navier-Stokes (ecuaciones
diferenciales parciales acopladas, nolineales y de segundo orden)
restringidas a un fluido viscoso e incompresible,representan el
modelo matemático más apropiado para un flujo viscoso con
efectoscompresibles despreciables. Su resolución numérica se
realiza con el modelo RANS(Reynolds Averaged Navier Stokes), un
modelo de flujo viscoso en el cual sepromedian las variables en el
tiempo y se resuelve el problema para el flujo medio [9]mediante el
método de los volúmenes finitos (FVM). En este trabajo se utilizó
elsoftware comercial Ansys CFX 10 [10].Para modelar la turbulencia
se utilizó el modelo SST [11], un modelo de dosecuaciones basado en
la hipótesis de Boussinesq. Numerosos trabajos handemostrado que el
modelo , el más popular entre los de dos ecuaciones porrobustez y
bajo costo computacional, no es capaz de capturar correctamente
laseparación del flujo en modelos turbulentos cuando la capa limite
no esta en equilibrio.En cambio, SST utiliza el modelo en las
paredes del cuerpo, y el modelo enel seno del fluido [12], y es el
recomendado para los estudios aerodinámicos. Se trabajara con
rotores formados por tres álabes ya que presentan un buen
equilibrioentre la velocidad de rotación, el torque de arranque, y
la distribución de cargas queactúan sobre el eje de la turbina.
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Ecuación (2)
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Los tres álabes son idénticos, y su perfil aerodinámico inicial
se determino segúninformación obtenida en bibliografía específica
[13]. Posteriormente, se realiza laoptimización geométrica mediante
simulación por computadora. Para discretizar eldominio fluido se
utilizó una malla no estructurada de elementos
tetraédricos.Respecto a las condiciones de contorno, se considera
una entrada con velocidad deviento V (variable entre 5 y 10 m/s),
densidad = 1.2047 kg/m3, y viscosidadcinemática ν = 1.45 x 106
m2/s. Se utilizó una ley de pared sin deslizamiento (no-slip)para
el suelo y para la columna soporte, una condición tipo opening para
el dominioque rodea a la turbina, y los álabes tienen una velocidad
angular que es función de lavelocidad del viento. En la salida, se
considera que el valor de la presión es laatmosférica. La malla y
las condiciones de contorno se presentan en la Figura 1.
Figura 1: Malla de volúmenes finitos, y condiciones de
contorno.
RESULTADOSDe las simulaciones numéricas en CFD se obtienen los
conclusiones cualitativas, ycuantitativas.
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Figura 3: Energía cinética turbulenta. Figura 4: Líneas de
flujo.
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La energía cinética turbulenta (ECT) es la energía cinética
específica promediada en eltiempo, contenida en los vórtices de un
flujo turbulento. Es la cantidad de energíacinética del flujo medio
que ha sido transformada en vórtices ante la presencia
dedesprendimientos. Cuanto mayor sea la ECT, mayor es la energía
contenida en losvórtices, Figura 3. Cuando se produce el
desprendimiento en un flujo, la energíacinética del flujo medio se
transfiere a través de la ECT a vórtices de gran escala, quea su
vez transfieren esta energía en forma de ECT a vórtices de media
escala, hastaque finalmente esta energía es disipada por vórtices
de pequeña escala donde losefectos viscosos superan a la energía
cinética.En la Figura 4 se presentan las líneas de flujo que se
desprendes de los álabes, dondecada una de ellas resulta de seguir
la trayectoria de una partícula desde que ingresahasta que sale del
dominio. Están relacionadas con la distribución de presión, ycuando
las líneas de flujo se curvan, la presión aumenta en sentido normal
a las líneasde flujo, en dirección saliente desde el centro de
curvatura. Estos resultados sonalentadores, ya ha sido posible
disminuir el porcentaje de flujo desprendido y validarlos
resultados publicados en la referencia [13].
CONCLUSIONESEn este trabajo se presentaron los estudios
aerodinámicos preliminares que se estánrealizando sobre los álabes
de turbinas eólicas para mejorar la potencia específicagenerada.
Las simulaciones computacionales se realizan mediante el
softwarecomercial de CFD Ansys CFX 10, haciendo uso del método RANS
y un modelo deturbulencia SST.A futuro, y en el marco del proyecto
PID al que pertenece este trabajo, proponemos unaporte original que
consiste en utilizar simulaciones computacionales con
elementosfinitos inversos IFEM para determinar la geometría de
fabricación de los álabes, talque al ser sometidos a las cargas de
operación, recuperen la geometría aerodinámicaóptima.
REFERENCIAS[1] Revista Clean Energy. Año 4. Nro. 14. Enero 2013.
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Tangler, J. L. Somers, D. M. NREL Airfoil families for HAWTs.
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