Dr. Hugo GAMEZ CUATZIN Centro de Ingeniería y Desarrollo Industrial CIDESI

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Rubén de la Fuente Espejo
hace 7 años
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1 Dr. Hugo GAMEZ CUATZIN Centro de Ingeniería y Desarrollo Industrial CIDESI Con la colaboración de: Ing. Fernando Ramírez Buenrostro, Asistente de InvesJgación - CIDESI Ing. Luis Alberto Torres Salomao, Candidato a M. en C. y T., PICYT - CIDESI

2 Outline 1. Aerogeneradores 2. CFX Aplicado al análisis de la sustentación de un airfoil 3. Control de paso y generación 4. Ejemplo de un controlador de paso de las palas con lógica difusa 5. Conclusiones

3 Energía eólica Del griego: Eolo = Dios del Viento Hijo de Hipotes (Islas eolias) Zeus le confiere el poder de dominar los vientos según su voluntad. Anemoi, dioses del viento Homero: Boreas, viento del norte Noto, viento del sur Céfiro, viento del oeste Euro, viento del este

4 Energía Ehecátlica? Mitología azteca y mesoamérica: Ehécatl, dios del viento Códice Borgia Náhuatl: ehécatl significa viento Manifestación de Quetzalcóatl Entre los dioses principales de la creación Su aliento inicia el movimiento del sol y hace a una lado a la lluvia, trae a la vida lo que está inerte. Máscara bucal roja en forma de pico Limpiar el camino para Tláloc (dios de la lluvia) Caracol en el pecho, asemeja el sonido del viento.

5 U^lizar la energía del viento Molinos de viento, Norte de Europa Holanda, Dinamarca, Suecia, etc. Aerogeneradores, Eólicos, Turbinas de viento Generador eléctrico acoplado a un rotor al que se le han fijado palas o álabes El viento acciona las palas y produce el movimiento que hace girar al rotor

6 Energía contenida en el viento P α ρav 3 P, potencia extraída Proporcionalidad directa! ρ, densidad del viento % humedad A, área de barrido del rotor longitud de las palas v, velocidad del viento mayor altura, mayor velocidad

7 Gigan^smo necesario

8 Cuantas palas se requieren? Mientras más palas, menor ruido Generalización de la configuración de tres palas Ventaja: Equilibrio giroscópico óp^mo Desventaja: incrementa can^dad de engranes

9 Grandes Aerogeneradores comerciales

Oportunidades para México Fabricación: partes o sistemas

de paso o pitch control) Sistemas HW y SW Interconexión a la

10 Oportunidades para México Fabricación: partes o sistemas completos? Postes Rotores Anillos Palas Góndolas Otras Controles Giro de corona de orientación Ángulo de ataque de palas (control de paso o pitch control) Sistemas HW y SW Interconexión a la red eléctrica nacional Marco legal y regulatorio Viento: recurso energé^co nacional? A quién pertenece tal recurso?

Angulo de ataque y paso de palas Palas de paso fijo No se adaptan a la velocidad del viento Uso en pequeños aerogeneradores, bajo costo Paso controlable El ángulo de

11 Angulo de ataque y paso de palas Palas de paso fijo No se adaptan a la velocidad del viento Uso en pequeños aerogeneradores, bajo costo Paso controlable El ángulo de paso, y por lo tanto el de ataque, se adaptan según la velocidad del viento Generación óp^ma Protección del generador eléctrico Accionadores: Pistones eléctricos o hidráulicos

principalmente dos componentes denominadas sustentación y arrastre (lih

12 Perfil aerodinámico Un objeto situado en el seno de una corriente de aire (viento) presenta una resistencia al avance, esto genera principalmente dos componentes denominadas sustentación y arrastre (lih and drag force) La combinación de ambas genera un torque que es comunicado al rotor.

Sustentación vs fuerza de gravedad Cuando el ala se desliza por el aire, el aire se mueve más rápidamente a lo largo de la superficie curvada Esto crea una baja presión que empuja (aspira) el ala del

13 Sustentación vs fuerza de gravedad Cuando el ala se desliza por el aire, el aire se mueve más rápidamente a lo largo de la superficie curvada Esto crea una baja presión que empuja (aspira) el ala del planeador hacia arriba La fuerza de gravedad atrae el planeador hacia abajo. La sustentación se opone a la caída inducida por la gravedad, sustentando el vuelo del planeador. Tomado con fines didác^cos de: Moliner y el viento,

14 Las p(alas) del rotor Tomado con fines didác^cos de: Moliner y el viento,

15 Las p(alas) del rotor U^lizando las alas derechas del planeador Girando las superficies superiores hacia la parte de atrás del rotor, Rotor gira en sen^do de las manecillas del reloj Tomado con fines didác^cos de: Moliner y el viento,

Sustentación: Bernoulli o Newton 3 La fuerza de sustentación es perpendicular a la dirección de movimiento del fluido, generalmente se requiere que esta fuerza sea grande.

16 Sustentación: Bernoulli o Newton 3 La fuerza de sustentación es perpendicular a la dirección de movimiento del fluido, generalmente se requiere que esta fuerza sea grande. La fuerza de arrastre es paralela a la dirección del movimiento del fluido, generalmente se requiere que esta fuerza sea pequeña. Bernoulli: la sustentación se genera cuando la velocidad en la parte superior del perfil es mayor a la de la parte inferior, esto debido a que hay diferencia de presiones. Newton: La deflexión hacia abajo del flujo de aire en el borde de salida del ala, produce una fuerza de reacción hacia arriba que también genera sustentación. Cabe mencionar que existen fenómenos como el de la capa limite, se genera cuando el ángulo de ataque es muy grande el fluido puede cambiar súbitamente de dirección como se observa en la imagen, la fuerza de arrastre se hace mayor y pierde sustentabilidad.

Datos del aerogenerador analizado Ø Altura de la torre 60m Ø Diámetro de barrido 50 m Ø Área barrido del rotor 2200 m^2 Ø Perfil del aspa Naca e205 Ø Potencia nominal 1 MW Ø Velocidad del rotor

17 Datos del aerogenerador analizado Ø Altura de la torre 60m Ø Diámetro de barrido 50 m Ø Área barrido del rotor 2200 m^2 Ø Perfil del aspa Naca e205 Ø Potencia nominal 1 MW Ø Velocidad del rotor 15/22 RPM Datos Opera^vos: Ø Ø Ø Velocidad viento Mínima de Energía: 4 m/s Km/h Velocidad viento óp^ma de Energía: 11 m/s Km/h Velocidad viento cierre automá^co: 25 m/s - 90 Km/h 17

18 Análisis de la sustentación: CFX 11.0 Para los diferentes análisis se u^lizaran las mismas ecuaciones para resolver el sistema a con^nuación se muestra los modelos u^lizados. Lo único que cambia para los diferentes análisis son las velocidades de entrada y el ángulo de ataque. El flujo se considerará incompresible Se resolverán las ecuaciones promediadas de Navier- Stokes-Reynolds u^lizando el modelo Modelo k-ε Standard con Non-Equilibrium Wall Func<ons Criterio de convergencia: 10-4

Aerogenerador 4 m/s, 11 m/s y 25 m/s a un ángulo de ataque de 8.

19 Malla A forma de demostración se u^liza ANSYS para calcular las zonas de presión y de velocidad del perfil NACA e205 en las condiciones de operación del Aerogenerador 4 m/s, 11 m/s y 25 m/s a un ángulo de ataque de 8. La malla se realizo en ANSYS ICEM, los elementos son hexaédricos, con un total de elementos.

21 Para las condiciones de entrada se definen la velocidad de entrada del fluido así como la presión está^ca a la salida, la simetría y las paredes

23 Resultados condiciones de arranque: Aa= 8 y 4 m/s. La velocidad alcanza un máximo de 7.14 m/s. La presión varía de a Pa

24 Resultados en condiciones de operación nominal: Aa=8, v=11 m/s. La velocidad alcanza una máxima de m/s. La presión varía de a Pa.

25 Resultados en condiciones límite: 8 y 25 m/s La velocidad alcanza una máxima de m/s. La presión varía de a Pa.

26 Aa=0 o vs V v creciente V V = 4 m/s V V = 11 m/s V V = 25 m/ s

27 Distribución de velocidades Aa variable vs V V Nominal (11 m/s) Aa=0 o Aa=4 o Aa=8 o Aa=12 o Aa=12 o

28 Distribución de presiones Aa variable, V V = 11 m/s Aa=0 o Aa=4 o Aa=8 o Aa=12 o

Energía contenida en el viento P α ρav 3 P, potencia extraída

ρ, densidad del viento % humedad A, área de barrido del rotor longitud de

Betz: sólo se absorbe alrededor de 60 % En la prác^ca, no se puede

29 Energía contenida en el viento P α ρav 3 P, potencia extraída Proporcionalidad directa! ρ, densidad del viento % humedad A, área de barrido del rotor longitud de las palas v, velocidad del viento mayor altura, mayor velocidad Límite de Betz: sólo se absorbe alrededor de 60 % En la prác^ca, no se puede aprovechar el 100% de la energía contenida en el viento Necesidad de controlar el ángulo de paso y ataque de las palas para aprovechar al máximo ese 60%

30 Ejemplo del diseño de un controlador de paso con lógica difusa Arxculo a publicarse en La^n American Trans. IEEE (2011)

31 Funciones de membresía Implementación en MATLAB SIMULINK

32 Resultados del control Caso 1: Viento constante Caso 2: Perfil de viento real Potencia Potencia Aa Aa

33 Conclusiones Se presentó un caso de análisis de la sustentabilidad de palas de un aerogenerador usando CFX para el estudio de un airfoil Permite comprender una parte de los fenómenos asociados con la sustentabilidad El control del paso de las palas permite mantener los niveles de generación adecuados y aprovechar al máximo la energía del viento El controlador se puede implementar usando lógica difusa

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