Desarrollo de un sistema de control para modificar el perfil aerodinámico de las aspas de generadores eólicos.

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1 PROYECTO NÚMERO P22 1. Título Desarrollo de un sistema de control para modificar el perfil aerodinámico de las aspas de generadores eólicos. 2. Tipo de proyecto Innovación y desarrollo tecnológico. 3. Instituciones y empresas participantes Universidad Autónoma de Querétaro (UAQ) Número de RENIECYT: 1026 Dirección: Dirección Legal: Cerro de las Campanas S/N, Col. Las Campanas. Querétaro, Qro. 4. Líder técnico Juan Carlos A. Jáuregui Correa CVU: 7207 Grado máximo: Doctor Miembro del S.N.I. = SI-N3 Universidad Autónoma de Querétaro (UAQ) Perfil.- Tiene más de 30 años de experiencia. Es miembro del S.N.I; desde el año 2003 tiene el Nivel III. Pertenece a la Academia de Ingeniería en donde fue Presidente de la Especialidad de Ingeniería Mecánica. Estudios: UNAM, U-Wisconsin. 5. Líder administrativo Dr. Juan Carlos A. Jáuregui Correa 6. Principales participantes del equipo de trabajo Juan Carlos A. Jáuregui Correa CVU: 7207 Grado máximo: Doctor Miembro del S.N.I. = SI-N3 Universidad Autónoma de Querétaro (UAQ) Perfil.- Tiene más de 30 años de experiencia. Es miembro del S.N.I; desde el año 2003 tiene el Nivel III. Pertenece a la Academia de Ingeniería en donde fue Presidente de la Especialidad de Ingeniería Mecánica. Estudios: UNAM, U-Wisconsin. P22-1

2 Manuel Toledano Ayala CVU: Grado máximo: Doctor Miembro del S.N.I. = SI-NC Universidad Autónoma de Querétaro (UAQ) Perfil.- Obtuvo el primer lugar en el "V Premio Santander a la Innovación Empresarial". Mención Honorífica en su Doctorado. Fue finalista en el Desafío INTEL América latina". Estudios: Universidad Autónoma de Querétaro (UAQ) Roberto Valentín Carrillo CVU: Serrano Universidad Autónoma de Querétaro (UAQ) Perfil.- Es miembro del S.N.I. Nivel 1. Estudios: Universidad Autónoma de Querétaro (UAQ) Grado máximo: Doctor Miembro del S.N.I. = SI-N1 Juvenal Rodríguez Reséndiz CVU: Grado máximo: Doctor Miembro del S.N.I. = SI-N1 Universidad Autónoma de Querétaro (UAQ) Perfil.- Es miembro del S.N.I. Nivel 1. Obtuvo el tercer lugar en la international Minirobotic Competition. Estudios: Universidad Autónoma de Querétaro (UAQ), West Virginia Jesús Alejandro Franco Piña CVU: Grado máximo: Doctor Miembro del S.N.I. = NO Universidad Autónoma de Querétaro (UAQ) Perfil.- Titulado con mención de Honor. Promedio Ha desarrollado sistemas de control para pequeños aerogeneradores. Estudios: IT-QRO., Universidad Autónoma de Querétaro (UAQ). 7. Antecedentes En la actualidad, mientras que la producción energética basada en la quema de carbón y petróleo se está enfrentando a diversos obstáculos, tales como el control de la contaminación y el agotamiento de los recursos naturales, han provocado que el resurgimiento de la energía eólica sea una consecuencia casi inevitable. El costo de la energía del viento se ha reducido hasta el punto en el que hay lugares que el precio de la energía eólica comienza a ser competitiva con las fuentes convencionales de energía (Hau, 2006). En la actualidad el 85% de las emisiones de gases de efecto invernadero en todo el mundo se obtienen mediante el sector energético tradicional (Evrendilek y Ertekin, 2003). Dado que el aumento de la contaminación del medio ambiente se determina en función del incremento de la generación de energía y el consumo, estos dos aspectos deben ser tomados en consideración al establecer las medidas adecuadas que permitan la reducción de dichos gases. Aunque, tecnológicamente, los sistemas de conversión de energía eólica han evolucionado fuertemente, aún no se ha logrado obtener sistemas cercanos a los ideales, esto, debido a la variabilidad y al comportamiento no lineal de su fuente motriz, el viento, no obstante se han desarrollado, diferentes estrategias de control de la potencia que tienen como objetivo aprovechar al máximo el potencial energético del viento. P22-2

3 El uso de energía eólica como una posibilidad de energía alternativa ha cobrado una gran importancia en todo el mundo debido a las características y beneficios que provee, considerándola como una de las alternativas de energía que otorgan solución ya sea en aplicaciones aisladas como el uso doméstico o agrícola (Lund, 2008), o bien en los aerogeneradores de elevadas potencias que abastecen zonas urbanas. Aerogeneradores Modernos Un aerogenerador o turbina eólica es una máquina que convierte la energía eólica en energía eléctrica, por lo tanto la energía máxima no sólo depende de los límites de la máquina, sino también de la velocidad del viento, por lo cual, es importante diferenciar claramente una turbina de viento y un molino de viento. Como se mencionó anteriormente, las turbinas eólicas convierten la energía del viento en energía eléctrica, por otro lado, los molinos de viento convierten la fuerza del viento en energía mecánica. La electricidad generada por turbinas de viento se utiliza para cargar circuitos de batería, sistemas de energía residencial, sistemas de distribución, etc. El futuro de ésta tecnología está relacionado con el diseño confiable, seguro y económico de las aspas de la turbina y los sistemas de control los cuales garantizar la operación totalmente automática. Una turbina de viento debe ser capaz de generar electricidad adecuadamente a diferentes velocidades de viento, por lo cual se han desarrollado diferentes estrategias de control de la potencia que tienen como objetivo aprovechar al máximo el potencial energético del viento para producir energía eléctrica (Jamal et al., 2007). Las turbinas eólicas tienen tres regiones principales de operación, como se muestra en la figura 1. Una turbina frenada o una turbina que está puesta en marcha se considera que operan en la región 1. Figura 1. Regiones de operación de una turbina eólica. El uso de estrategias de control modernos no suelen ser críticos en la región 1, donde el control de la velocidad del viento se realiza para determinar si se encuentra dentro de las especificaciones de P22-3

4 operación de la turbina y, si es así, las rutinas necesarias para poner en marcha la turbina se llevan a cabo. La región 2 es un modo de funcionamiento con el objetivo de maximizar la captura de la energía del viento mediante el uso de estrategias de control del flujo de las aspas, ya sea con elementos activos mediante actuadores y mecanismos, o pasivamente donde la estructura sufre cambios debido a las cargas aerodinámicas en el material del aspa sin movimiento de partes para ajustarse; ambos métodos tienen como objetivo la modificación de la estructura, área de contacto, cuerda, ángulo de ataque (pitching), uso de alerones, modificación de envergadura, entre otras. En la región 3, que se produce por encima de la velocidad nominal del viento, la turbina debe limitar la energía eólica capturada, de manera que sea seguro y las cargas mecánicas no se superen. Sin un mecanismo de control, el generador de viento podría acelerar enormemente y la presencia de fuerzas en la estructura podría destruir la turbina. También cuando se necesita desmontar la turbina de la torre, el rotor debe ser detenido. Entonces, todo aerogenerador debe poseer un subsistema que asegure la parada del rotor el cual consiste en un mecanismo capaz de reducir la velocidad del rotor hasta detenerlo. La mayor parte de las investigaciones de control de aerogeneradores se basan en la región 2 con el objetivo principal es maximizar la captación de energía. Avances en el desarrollo de aspas inteligentes Para entender el principio de funcionamiento de una turbina eólica nos referimos a que el hecho de que el viento circula por ambas caras del aspa, las cuales tienen perfiles geométricos distintos, creando de esta forma un área de depresión en la cara superior respecto a la presión en la cara inferior. Esta diferencia de presiones produce una fuerza llamada sustentación (lift) aerodinámica (figura 2) sobre la superficie del aspa de forma parecida a lo que sucede en las alas de los aviones.. Figura 2.Principio de funcionamiento del Aspa [ABB, 2012] Si la forma de las aspas del rotor permite la utilización de sustentación aerodinámica, se pueden obtener coeficientes de potencia mucho más elevados. Análogamente a las condiciones existentes P22-4

5 en el caso de un ala de avión, la utilización de sustentación aerodinámica aumenta considerablemente la eficiencia. Perfiles aerodinámicos modernos, desarrollados para alas de aviones y que también se encuentra aplicación en rotores de viento, tienen una relación muy favorable de sustentación-arrastre. Este solo hecho muestra cualitativamente cuánto más efectiva es la utilización de sustentación aerodinámica para la utilización en la fuerza motriz. Varios mecanismos activos y pasivos de control de flujo dinámico por pérdida aerodinámica a través de la utilización de alerones en el borde de salida han sido considerado por investigadores (Feszty et al, 2004; Gerontakos y Lee, 2006, 2007; Krzysiak y Narkiewicz, 2006). La figura 3 muestra el estudio experimental de los efectos del movimiento y amplitudes a diferentes frecuencias de la moción de un perfil NACA con alerón (Lee y Su, 2011). Figura 3. Esquema de ala con alerón y sistema de pruebas, (Lee y Su, 2011). Inicialmente, la investigación se llevó a cabo utilizando superficies de sustentación o alas rígidas, con el fin de estudiar los efectos del cambio de parámetros críticos en el perfil, como lo es la curvatura que se comprobó que posee una fuerte influencia en el promedio del coeficiente de sustentación (Guerrero, 2009). Sin embargo recientemente, más y más estudios se centran en el uso de superficies de sustentación o alas flexibles. Esto es porque en la naturaleza, las aletas de los peces y las alas de las aves o insectos son flexibles. Por lo tanto, se especula que debe haber algunas ventajas en superficies de sustentación flexibles en comparación con sus homólogos rígidos. En efecto, varios estudios muestran un aumento en la eficiencia o ya sea de empuje cuando los perfiles de ala o alas exhiben flexibilidad activa o pasiva. Tay y Lim, 2010 desarrollaron un análisis numérico de la flexión de la cuerda de un perfil aerodinámico y el efecto en la P22-5

6 sustentación, empuje y la eficiencia de propulsión de tres tipos de perfiles. Los resultados muestran a la vez una comparación entre el movimiento de cambio de ángulo (pitching) y la flexión. La amplitud y la frecuencia de dicha flexión durante el movimiento de aleteo tienen granrepercusión en la eficiencia de la propulsión aerodinámica la cual es presentada para micro vehículos aéreos (MAVS, por sus siglas en inglés) (Miao y Ho, 2006; T. Benkherouf et al., 2011). Figura 4. Movimiento de flexión en un perfil aerodinámico, (Miao y Ho, 2006). Avances en el desarrollo de estructuras aerodinámicas deformables han sido investigados y como consecuencia se ha introducido el concepto de modificación de forma (shape morphing), primordialmente en el campo de la aeronáutica. Se puede observar en la figura 5, las diversas tendencias en la modificación de forma aerodinámica. Sofla, et al., 2010 han desarrollado una clasificación profunda en los diseños, la fabricación y evaluación en los avances incluyendo conceptos de materiales inteligentes tales como aleaciones con memoria de forma SMA, actuadores piezoeléctricos PZT y polímeros con memoria de forma SMP. La tecnología de modificación de forma (shape morphing), se utiliza para identificar a los aviones que sufren ciertos cambios geométricos para mejorar o adaptar a sus perfiles de misión. No existe definición exacta ni un acuerdo entre los investigadores sobre el tipo o la magnitud de los cambios geométricos necesarios para calificar una aeronave dentro del concepto; sin embargo, hay un convención general en la que superficies de control con bisagras o dispositivos de elevación, tales como aletas o que proporcionan cambios de geometría discretas no pueden considerarse dentro de este tipo de tecnología. P22-6

7 Figura 5.Tendencias en modificación de forma shape morphing (Sofla, et al., 2010). Un nuevo perfil aerodinámico usado en actividades de investigación en control de perdidas aerodinámicas ha sido desarrollado (Geissler et al., 2005). Una porción de borde de entrada (10%) tiene movimiento de incline con ángulo límite de 10, esta función es realizada por un sistema de actuadores piezoeléctricos colocados dentro del prototipo, el modelo es analizado con pruebas experimentales en túnel de viento. Preidikman et al., 2006; Finistauri y Xi. 2009, de manera similar plantean el uso de actuadores piezoeléctricos y mecanismos de barras con actuadores prismáticos para un modelo de alas flexibles que permiten imitar algunas deformaciones elásticas observadas en alas de insectos y aves (figura 6). Estas deformaciones son necesarias para inducir mecanismos aerodinámicos no estacionarios que les posibilitan maniobrar y volar. Figura 6.Mecanismo de simulación de alas de pájaro, (Finistauri y Xi. 2009). P22-7

8 La habilidad de mantener dos formas estables (figura 7) sin consumo de energía a puesto a disposición el uso de compositos bi-estables en aplicaciones de modificación de forma aerodinámica (Diaconu et al., 2012; Arrieta et al., 2013). Figura 7.Estados de material de composito bi-estable (Arrieta et al., 2013). Modificaciones en la forma de la envergadura de alas de avión son sujetas de investigación, la mayoría convergen en el uso de mecanismos del tipo telescópico sin embargo, Ajaj et al., 2012, presenta el diseño de una caja de ala Zigzag, la cual posee características que le permiten retraerse y alargarse, gracias a la superficie de cubierta o skin de composito de matriz de elastómero. Otras superficies han sido desarrolladas mediante diversas estructuras, tal como la forma de panales de abeja cosenoidales (Weidong et al., 2013), fibras curvilíneas de compositos (Murugan y Friswell, 2013), entre otras. Figura 8.Variación de la forma (Ajaj et al., 2012). El uso de servomecanismos dentro de la estructura de aspas o alas que permitan la modificación del perfil aerodinámico ha sido presentado por diversos autores, Aguirrebeitia et al., 2013, presentan las características cinemáticas de un mecanismo de inversión doble de cuatro barras P22-8

9 con fines de modificación de forma de un alá. La siguiente figura 9 muestra el concepto de diseño del mecanismo. Figura 9.Mecanismo de actuación propuesto (Aguirrebeitia et al., 2013). Aplicaciones de deformación del perfil con el uso de servomotor acoplado a el borde de salida es presentado y analizado por Shijun Yuanyuan, 2012, en la figura 10 a) se observa el prototipo experimental, los resultados de la investigación demuestra que el uso del borde de salida deformable mejora las características aerodinámicas del aspa, de manera similar Yang et al, 2012, propone un diseño de aspa basado en servomotores para la modificación de la curvatura de perfil como se muestra en la figura 10 b, Mediciones de cargas aerodinámica y una técnica de visualización de flujo velocimetría de partículas por imagen se combinan para revelar las características aerodinámicas resultantes de la deformación y estructuras de flujo correspondientes. Figura 10. a) Mecanismo en borde de salida (Shijun Yuanyuan, 2012) b) Modificación de Curvatura (Yang et al, 2012). Los estudios apuntan a encontrar los requerimientos funcionales de superficies flexibles con suficiente rigidez para soportar las cargas aerodinámicas, y las aleaciones con memoria de forma (SMA) han tomado papel importante en las recientes investigaciones por la capacidad de obtener deformaciones controladas, su adaptación en la estructura del aspa va desde el borde de salida, zona de extradós y uso de diversos sistemas de control de posición (Brailowski et al., 2010; Coutu et al., 2010; WANG et al., 2013). P22-9

10 Figura 11. Actuadores SMA (Brailowski et al., 2010) Ahola et al., 2009, presentan una comparación de los algoritmos de control para los dispositivos basados en actuadores de aleación con memoria de forma actuadores. El controlador ajusta la corriente eléctrica de los actuadores para llegar a la forma deseada en la superficie de sustentación; pruebas en túnel de viento para la optimización de un controlador de un ala deformable fueron estudiados por Popov et al., 2010, el código de control para perfecciona el desempeño del controlador (figura 12) Figura 12. Controlador de SMA (Popov et al., 2010). Un control distribuido y sistema de comunicación que puede cambiar la forma de la superficie de sustentación en una esperada y mantenerla suave durante el la modificación de la forma fue presentado por Jung y Yuping, La interconexión del sistema de comunicación de la red hace que el comportamiento del sistema complejo, sin embargo un método de análisis de la estabilidad se plantea para garantizar la estabilidad del sistema. El monitoreo de la forma de las estructuras deformables es esencial para su funcionamiento eficaz y seguro. Sin embargo, los sistemas de detección de corriente tales como sensores de fibra óptica son caros, frágiles, y no adecuados para la supervisión de los grandes cambios en la forma sin ser susceptible a fallo o degradación del rendimiento por lo cual, Akl et al., 2007, presento una red de sensores inalámbricos para este tipo de aplicaciones. P22-10

11 Un reto importante y poco desarrollado en el estado del arte del concepto de modificación de forma, concierne sin duda a la predicción de las fuerzas aerodinámicas que actúa sobre una superficie de sustentación después de un cambio en la geometría de superficie, reciente interés en las fuerzas aerodinámicas que actúan sobre la superficie de sustentación durante y después de la modificación de la forma tienen una influencia tanto en el diseño del actuador y la dinámica de aeronaves, debido a la gran variedad de posibles cambios en la forma, un modelo fue desarrollado por Johnston et al., 2010, que es capaz de modelar una amplia gama de formas curvaturas prácticas, incluyendo distintos ángulos ataque y alerones del borde de salida. Aplicaciones en Turbinas eólicas. Dispositivos en energía eólica de conversión están diseñados para operar óptimamente a una determinada condición; sin embargo, un clima cambiante impone cargas variables, lo cual hace caer la eficiencia de la conversión del dispositivo o, en un caso extremo, podría poner en peligro la integridad del sistema. Debido a lo anterior investigaciones recientes han introducido los conceptos de aspas deformables para el desarrollo de dispositivos con aplicaciones de transformación de energía, Beyene y Peffley, 2007 proporcionan una investigación preliminar sobre el diseño de perfil de geometría variable para aplicaciones de turbinas eólicas, como resultado presenta las claras ventajas aerodinámicas del aspa flexible sobre las rígidas. Como conclusión de esta investigación McPhee y Beyene, 2011, presentaron el diseño de un aspa de turbina eólica que cambia de ángulo de ataque pasivamente de acuerdo a la carga de viento. Figura 13. Aspa Inteligente (Pechlivanoglou, 2013). Prototipos novedosos como un perfil aerodinámico basado en la forma clásica NACA0012 (Huang y Wu, 2012); sin embargo, está lleno de aire lo cual le permite modificar su forma de acuerdo a la distribución presiones ejercidas en su superficie. El término de aspas inteligentes smart blades fue inicialmente implantado por Pechlivanoglou, 2013, el cual presentó un diseño de aspas como prototipo de una solución avanzada para la próxima generación de aerogeneradores (figura 13). P22-11

12 No obstante es de ninguna manera la única solución en este sentido, pero es un buen ejemplo de la forma, la funcionalidad y el potencial de las futuras aspas inteligentes. Resultados preliminares de simulaciones en Qblade Las condiciones de flujo que un aspa de una turbina experimenta son muy diferentes de los que afectan a un avión. Por lo tanto, una gran cantidad de las suposiciones hechas en la aerodinámica de vuelo no pueden aplicarse al complejo campo de flujo alrededor de una turbina de viento. Este último es inestable, tridimensional, turbulento, incompresible y, a menudo separado del contorno de flujo. Al mismo tiempo, dependen de condiciones de flujo turbulento alrededor de las aspas. Esto implica la necesidad de simulaciones con grades dominios, así como una buena resolución espacial. Diversas herramientas están disponibles en la actualidad para la simulación del comportamiento de sección de perfiles aerodinámicos. La selección de la herramienta de simulación depende del objetivo de la investigación y de la disposición de recursos. Un completo análisis CFD que cumple con estos requisitos para todos los efectos mencionados tarda mucho tiempo y es costoso. Una alternativa a las simulaciones CFD, son métodos de vórtices, con la limitación de que no pueden modelar el comportamiento viscoso ya que están basados en la teoría de flujo potencial. Es por ello que herramientas de diseño y evaluación se basan en el método de Momento de Elemento del Aspa (BEM, por sus siglas en ingles) y son utilizadas para predecir la eficiencia de Aerogeneradores de Eje Horizontal (HAWT) en la industria. El uso de otros métodos tales como modelos de vórtices, CFD, RANS y son mayormente utilizados en entornos de investigación. La principal ventaja del modelo de BEM en comparación con CFD es que es muy rentable y el tiempo de cálculo es significativamente menor. Se efectuó un estudio preliminar por medio de simulaciones de diversos perfiles del tipo NACA, la figura siguiente muestra una serie de familias de perfiles diseñados en QBlade y de acuerdo a la familia los parámetros de geometría de cada perfil varían. Figura 14. Perfiles NACA. Mediante el modulo análisis directo de XFOIL, el flujo alrededor de cada perfil es simulado, para un rango de ángulos de ataque de -5 a 25 (figura 15) P22-12

13 Figura 15. Cl y Cd para diversos perfiles NACA. Desde este punto se puede observar en las curvas de la figura anterior, que para las diferentes geometrías se tiene diferentes coeficientes de sustentación Cl y de arrastre Cd bajo las mismas condiciones de flujo. En la figura 16 también es posible analizar la variación de la eficiencia de cada perfil y como es una variable dependiente del ángulo de ataque, es decir, un perfil a un ángulo de ataque puede ser más eficiente que otro, sin embargo esto puede variar al generarse otra inclinación del perfil. P22-13

14 Figura 16. Eficiencia Vs ángulo de ataque Se procedió a desarrollar las diferentes secciones transversales de un modelo tridimensional para generar un conjunto de aspas. Estas aspas fueron diseñadas partiendo del hecho de tener diferentes perfiles entre secciones y analizar su comportamiento mediante una comparación de trayectorias de salida de potencia entre cada diseño (figura 17). La longitud de las aspas se basó de acuerdo a las especificaciones de diseño de la turbina eólica en la cual se pretende realizar las pruebas experimentales futuras de la presente investigación. A su vez la selección de dos aspas es necesaria para conformar el rotor del aerogenerador, y proceder a la simulación de la turbina bajo condiciones de viento específicas. Figura 17. Modelo tridimensional de rotor. Mediante el submódulo de definición y simulación de la turbina, el comportamiento de los diferentes diseños bajo diferentes velocidades de viento es estudiado. La figura 18, muestra la potencia de salida para las diferentes turbinas diseñadas con geometrías variables entre sí. P22-14

15 Figura 18. Simulación de turbina con perfiles variables. En un acercamiento a la gráfica de potencia (figura 19), es posible analizar el fenómeno de cambio de perfil aerodinámico en un aspa y los efectos en el desempeño en una turbina eólica. Es posible observar en las curvas a manera de ejemplo que a bajas velocidades la turbina 1 ( línea azul), tiene un valor de potencia mayor con respecto a la turbina 2 (línea negra), mientras que el aumentar la velocidad incidente de viento la configuración (2) logra tener mejor desempeño que la turbina (1). Figura 19. a) Producción de energía a velocidades de viento bajas, b) Producción de energía a velocidades de viento altas P22-15

16 Con base en lo anterior, podemos concluir que si existe un aspa que posea la capacidad de ajustar su forma de forma automática y optimizarla con respecto a la distribución de la presión del flujo del viento en su superficie, podría ser capaz de aprovechar y maximizar la generación de energía considerablemente. Justificación En los últimos años se han logrado importantes avances en el campo de la energía eólica y su implementación ha sido de gran importancia para la generación de energía en un gran número de países desarrollados; sin embargo, el desarrollo de la mayoría de turbinas no ha logrado simplificar su uso mayoritario en la vida cotidiana de la sociedad actual. Esto principalmente a los altos costos inherentes a la inversión en el diseño e instalación de las turbinas disminuyendo así sus posibles aplicaciones. El desarrollo de un mercado internacional competitivo en avances tecnológicos, así como al apoyo de acertadas políticas de promoción especialmente en países desarrollados, ha provocado un incremento significativo en el aprovechamiento de la energía eólica; sin embargo, el desarrollo de tecnologías para turbinas eólicas no ha tenido el mismo avance, especialmente en países en vías de desarrollo en donde las energías renovables en muchos casos aún no son consideradas en los planes energéticos regionales. México, a pesar de ocupar el primer sitio en tasa de crecimiento en energía eólica a nivel mundial en el 2009 con un % con respecto al año anterior (WWEA, 2010), la investigación en el campo de los aerogeneradores aún está en fase de desarrollo por parte de universidades y centros de investigación, el equipo que es instalado es proveniente del extranjero y no se tienen grandes avances en el tema. El desarrollo de aspas que se adapten a las diversas condiciones de energía disponible ofrecerán una alternativa para integrar turbinas eólicas más eficientes y que permitan regular la energía entregada, por lo cual, a través del desarrollo de aspas inteligentes para aerogeneradores del futuro, se logrará la fácil integración de la energía eólica en el mercado mundial de la energía, mediante la reducción de los costos de operación de las turbinas eólicas, así como por la mejora de su calidad de energía eléctrica. 8.- Objetivos y metas Desarrollar un sistema de control para modifica la geometría en las secciones transversales de un aspa en función de la velocidad de flujo de viento entrante, para maximizar la captación de energía del viento optimizando la eficiencia de la conversión energética, y con ello ampliando el campo de aplicaciones de la energía eólica. Objetivos Particulares Desarrollar simulaciones mediante herramientas de BEM y CFD que permitan determinar las geometrías óptimas de los perfiles aerodinámicos en función de las características de flujo de viento. Seleccionar los mecanismos de actuación (SMA, Piezoeléctricos, servomotores, etc), que permitan modificar el perfil aerodinámico. P22-16

17 Diseñar el sistema de sensado para determinar las condiciones de operación locales a lo largo del aspa. Seleccionar la estrategia de control para modificar la geometría del perfil del aspa. Construir una sección de aspa que permita evaluar el diseño del sistema de control de cambio de perfil aerodinámico. Proponer el desarrollo como una alternativa confiable para el control de flujo en turbinas eólicas, teniendo ventajas sobre los sistemas de regulación basados en modificación de ángulo de ataque. Aplicabilidad tanto al campo Científico y Tecnológico. 9.- Contenido innovador Se propondrá un concepto de aspa inteligente para turbinas eólicas, basada en los resultados y experiencias de la previa investigación, esta aspa incorporará una solución de control de flujo para mejorar el desempeño global de la misma y permitir un mejor manejo de potencia y cargas en turbinas eólicas Principales resultados esperados lista de entregables 1) Concepto de aspa inteligente para turbinas eólicas que incorporará una solución de control de flujo para mejorar el desempeño aerodinámico y que permitirá un mejor manejo de potencia y cargas en turbinas eólicas. 2) Diseño de mecanismo de deformación. 3) Diseño de estrategia de control. 4) Prototipo de aspa inteligente. 5) Como resultado de esta investigación, será de gran importancia: - Participación en 1 congreso internacional. - Participación en 1 congreso nacional - Publicación de 2 artículos en revista indizada. - Generación de 1 patente. - Formación de Recursos Humanos ( 1 Doctorado, 2 Maestría). 6) El concepto de aspa inteligente espera ser aplicado en cualquier tipo de turbina ya que puede ser adaptado para el aspa de cualquier turbina y las área de aplicación pueden ser: Conversión de Energía: Generación de hidrogeno, gas, etc., a partir de energía eólica. P22-17

18 Urbano: Uso en alumbrado de la vía pública ya sea en escuelas, puentes y carreteras o así como la opción de que los sistemas eólicos sea conectado a la red de electricidad. Agrícola: Provea de electricidad a procesos de cultivo. Rural: Alternativa eficiente para la electrificación de zonas rurales Parques Eólicos: El sistema puede ser aplicado a los aerogeneradores de mayor capacidad. La lista de entregables asociada a cada actividad y a cada etapa se muestra en el Apéndice No Metodología propuesta 1) Investigación y análisis del estado del arte, teoría de aeroelasticidad y herramientas CFD: Esta etapa comprende una recopilación y análisis de amplio espectro en patentes y artículos científicos en aplicaciones de control de flujo aerodinámico en aspas para turbinas eólicas. De la misma manera un estudio profundo de la teoría de modelos de flujo para superficies de sustentación así como el uso de herramientas computacionales que permiten su estudio tales como BEM y CFD. 2) Etapa de simulaciones de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) : En esta etapa se llevara cabo el proceso del desarrollo de simulaciones de diversos perfiles aerodinámicos de las secciones que comprenden la estructura completa del aspa, la obtención de datos que permitan desarrollar un modelo serán obtenidos en esta fase. 3) Desarrollo de modelo de comportamiento fluido-estructura: Se desarrollara modelo que permita generar una relación entre a la deformación de las secciones del aspa y las velocidades de viento localizadas. 4) Elaboración de sistema de Actuación: Se desarrollara el mecanismo de actuación, con la selección del tipo y la elaboración de sistemas de acondicionamiento para su control 5) Elaboración de sistema de Sensado: Se llevarán a cabo el desarrollo del sistema de sensado, selección de sensores y sistema de adquisición de datos en puntos localizados en un aspa. 6) Selección y desarrollo de estrategia de control: Se seleccionara en esta etapa la estrategia de control así como el desarrollo del sistema de control, que permita la modificación del perfil del aspa. 7) Integración del sistema en un prototipo de aspa. P22-18

19 Adaptar el sistema de sensores y el diseño de un mecanismo actuador que permita modifica las secciones en un prototipo de aspa.. 8) Análisis de resultados y validación del sistema de control. En esta etapa se realizará el análisis de los resultados y se validara el sistema de control para aspas inteligentes desarrollado en la presente investigación. Herramientas Como software de uso en el presente proyecto, se ha previsto de los siguientes de los cuales se tienen las licencias oficiales vigentes: Altair Ansys workbench - Y como software auxiliar Qblade para simulación de perfiles y aspas en turbinas eólicas mediante el método BEM, teoría del momento de elemento de aspa Cronograma de actividades El cronograma de actividades se incluye en el Apéndice No Desglose financiero El desglose financiero se incluye en el Apéndice No Justificación del gasto Rubro 9.1 Gasto relacionado a recurso humano (personal y becarios). Rubro 9.2 Asistencia a Congreso Internacional de Turbinas Eólicas, estancia en la Universidad Tecnológica de Berlín, reuniones de trabajo. Rubro 9.3 Material para construcción de mecanismo, actuadores y acondicionamiento de señales, material para sistema de control, sensado y adquisición de datos, materiales diversos para la integración del sistema. Rubro 9.4 Rubro 9.5 Construcción del prototipo de sección de aspa. Rubro 9.6 Rubro 9.7 Gastos para obtener informe de gastos auditado P22-19

20 15.- Impactos, oportunidades, caso, plan o modelo de negocios y/o mecanismos de transferencia. Impacto científico: El desarrollo de un modelo y algoritmo para determinar la geometría óptima en perfiles aerodinámicos como estrategia de control de rotores inteligentes para turbinas eólicas. El impacto se verá reflejado en publicaciones de carácter científico, debido a que se presenta como una alternativa a los métodos convencionales de control de flujo en aerogeneradores. Impacto tecnológico: El desarrollo de un mercado internacional competitivo en avances tecnológicos, así como al apoyo de acertadas políticas de promoción especialmente en países desarrollados, ha provocado un incremento significativo en el aprovechamiento de la energía eólica; sin embargo, el desarrollo de tecnologías para turbinas eólicas no ha tenido el mismo avance, especialmente en países en vías de desarrollo en donde las energías renovables en muchos casos aún no son consideradas en los planes energéticos regionales. México, a pesar de ocupar el primer sitio en tasa de crecimiento en energía eólica a nivel mundial en el 2009 con un % con respecto al año anterior (WWEA, 2010), la investigación en el campo de los aerogeneradores aún está en fase de desarrollo por parte de universidades y centros de investigación, el equipo que es instalado es proveniente del extranjero y no se tienen grandes avances en el tema. El concepto de aspa inteligente mediante el sistema espera ser aplicado en cualquier tipo de turbina, mismo que proveerá de nuevas tecnologías en la etapa del sistema de actuación, sistema de control, adquisición de datos y monitoreo en aspas de turbinas eólicas. Impacto Económico: En los últimos años se han logrado importantes avances en el campo de la energía eólica y su implementación ha sido de gran importancia para la generación de energía en un gran número de países desarrollados; sin embargo, el desarrollo de la mayoría de turbinas no ha logrado simplificar su uso mayoritario en la vida cotidiana de la sociedad actual. Esto principalmente a los altos costos inherentes a la inversión en el diseño e instalación de las turbinas disminuyendo así sus posibles aplicaciones. El desarrollo de aspas que se adapten a las diversas condiciones de energía disponible ofrecerán una alternativa para integrar turbinas eólicas más eficientes y que permitan regular la energía entregada, por lo cual, a través del desarrollo de aspas inteligentes para aerogeneradores del futuro, se logrará la fácil integración de la energía eólica en el mercado mundial de la energía, mediante la reducción de los costos de operación de las turbinas eólicas, así como por la mejora de su calidad de energía eléctrica. Otorgando beneficios a áreas de: Conversión de Energía: Generación de hidrogeno, gas, etc., a partir de energía eólica. Urbano: Uso en alumbrado de la vía pública ya sea en escuelas, puentes y carreteras o así como la opción de que los sistemas eólicos sea conectado a la red de electricidad. Agrícola: Provea de electricidad a procesos de cultivo. P22-20

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