Parques Eólicos en Yucatán: Perspectivas y retos: Visión Académica Diseño aerodinámico del aspa de una turbina eólica pequeña MI. Nidiana Rosado Hau D. Phil. Mauricio Gamboa Marrufo
Contenido Introducción Objetivos Aerodinámica de aspas Metodología de diseño del aspa Pruebas experimentales Resultados Conclusiones
Introducción Clasificación del Potencial Eólico según el NREL: Escala parque eólico (utility scale) y uso Rural. A 30 m de altura National Renewable Energy Laboratory U.S. Department of Energy (2000)
Introducción Evaluación del potencial eólico global (Sur América) Mapa de velocidad media a 80-m (2000) Programa de Energía/Atmósfera del Departamento de Ingeniería Ambiental y Civil de la Universidad de Stanford.
Introducción La Asociación Mundial de Energía Eólica reportó en 2012 un crecimiento en la capacidad instalada en turbinas eólicas pequeñas alrededor del mundo [1]. Mercado previsto de la capacidad instalada de turbinas eólicas pequeñas en el mundo para el 2010 [1]
A nivel mundial existen mas de 334 fabricantes de turbinas eólicas pequeñas [1] La velocidad nominal de estas turbinas, en su mayoría se encuentra a velocidades de 10 m/s en promedio. Turbina eólica colibrí 5 kw [2]
Es importante que al diseñar las turbinas, éstas consideren las velocidades de viento locales, para generar potencia la mayor parte del tiempo. El diseño también tiene que permitir el inicio del giro de rotor a velocidades menores que la velocidad de diseño [3]. La península de Yucatán cuenta con velocidades de viento que van de 5 a 5.6 m/s a 30 m de altura [4]
Diseño aerodinámico Se realiza con el fin de aprovechar la mayor cantidad de energía proveniente del viento [5]. Consiste en determinar la distribución de la cuerda y la variación del ángulo de torsión a lo largo de la aspa. Es un paso previo al diseño mecánico y estructural [6].
Objetivos Obtener la distribución geométrica de un aspa que permita la máxima extracción de potencia a una velocidad de viento de 5 m/s Analizar el comportamiento aerodinámico del aspa cuando incide sobre ella un viento de 3 y 4 m/s en el estado de inicio de giro del rotor.
Aerodinámica de aspas Aerodinámica sobre el aspa de una turbina eólica[7] Variación de cuerda y ángulo de torsión[8]
Teoría del momento del elemento de aspa[8] Con este método se puede calcular el empuje y la potencia. El aspa se divide en N secciones, máximo 20 Plano del rotor Factor de inducción axial a Factor de inducción tangencial a
Para cada sección del aspa las fuerza de empuje y torque tienen los siguientes valores: dt Bp N dr dm rbp T dr dp dm 2 dt 4 r V a(1 a) Fdr 0 dm 3 4 r V0 (1 a) a' Fdr Plano del rotor Distribución de fuerzas sobre una sección de aspas
Factor de Prandtl de pérdida de punta: corrige la suposición de un rotor con un número infinito de aspas [5] 2 1 f F cos ( e ) R r 2 r sin Corrección de Vidries: correcciones en la punta del aspa[9]. 2 2 Y1 4Y1 (1 F) Y1 a a' 2(1 FY ) (1 af) Y /(1 ) 1 2 a 1 f B 1 2 Y 4F sin /( C ) 1 N Y 4F sin cos /( C ) 2 t
Metodología de diseño del aspa XII FORO DE RECURSOS NATURALES Definición λ, B, V o, D Elección del perfil Obtención de curvas C L (Re,α) y C D (Re,α) con xfoil Re inicial, C L óptimo, C D óptimo Distribución de cuerda, y ángulo de torsión con Matlab Cálculo de potencia, fuerzas de empuje, Re, L y D con Matlab Si el Re obtenido difiere del inicial se regresa al paso 4 con el nuevo valor de Re.
Definición de parámetros P 1 2 C p R 2 V 3 0 Diámetro 10 m Viento 5 m/s Relación de velocidad de punta, l Número de aspas Coeficiente de potencia del rotor en función de la relación de velocidad de punta[10]
Elección del perfil Prueba de 10 perfiles con xfoil Curvas de cocientes L/D
Las curvas polares, se pueden obtener: Túnel de viento Simulación DesignFoil PROPID Xfoil AirfoilPred FoilSim Cada uno de los software tiene su propio desarrollo de ecuaciones para estudiar los perfiles, por lo cual, se presentan variaciones entre las curvas de sustentación y arrastre obtenidas con éstos programas.
Obtención de curvas polares del perfil S1210 Cociente L/D a diferentes números de Reynolds Coeficiente de sustentación a diferentes números de Reynolds
Distribución cuerda y torsión XII FORO DE RECURSOS NATURALES Geometría de aspa 1: Región Hub al 10% del radio
Geometría de aspa2 : Región Hub al 15% del radio
Aspa1 Aspa2 Cálculo de la potencia l POTENCIA(W) EMPUJE(N) 6 2842.16 876.68 7 2975.27 1053.20 8 2859.93 1207.01 Cp=0.505 l POTENCIA(W) EMPUJE (N) 6 2811.03 861.51 7 2943.11 1036.50 8 2826.83 1189.97 La mayor parte de la potencia se genera cerca de la punta Cp=0.499
Modelo 3D Se crearon los perfiles en AutoCad Se importaron a SolidWorks Se construyeron diferentes modelos Se analizó la geometría de cada una, con la función calcular en SolidWorks
Diseño final XII FORO DE RECURSOS NATURALES
Pruebas experimentales Aspa estudiada en túnel de viento a una escala de 1:5 Secciones de prueba: material plaster en una Impresora 3D, modelo Spectrumz510 Escala de la sección de la punta 2.5:5 Escala de las secciones de la base y del centro 1:5
Vistas lateral y frontal del sistema experimental
Empleando el análisis dimensional y la teoría de la similitud se determinaron las velocidades de prueba para cada sección Sección Velocidad correspondiente a escala real (m/s) Base 4 20 3 15 1 5 Centro 4 20 3 15 1 5 Punta 4 8 3 6 Los ángulo de inclinación de prueba fueron: 0,15,30,45,60,70,80,85 y 90 Velocidad escalada (m/s) Determinación del tiempo de monitoreo: 3 min para cada ángulo
Resultados Fuerzas generadas en la sección de la base 15 m/s 20 m/s
Fuerzas generadas en la sección del centro 15 m/s 20 m/s
Fuerzas generadas en la sección de la punta 15 m/s 20 m/s
Resistencia al torque: Para una turbina de 500W, la resistencia al torque es de 0.36 Nm El generador comercial Aerogénesis de 5 kw tiene una resistencia al torque de 1.9 Nm. Magnitud del momento generado en la turbina eólica debido a las 3 aspas
Conclusiones El aspa diseñada en este trabajo con el perfil s1210 para un rotor de 10 m de diámetro presentó una distribución del ángulo de torsión desde 13 en la región cercana al centro del rotor hasta -0.51 en la punta del aspa. Este diseño aerodinámico permite que el rotor, conformado por 3 aspas, pueda extraer una potencia de 2.9 kw a una velocidad de viento de 5 m/s, operando de esta forma a su máxima eficiencia aerodinámica.
El coeficiente de potencia teórico que se alcanza con éste diseño aerodinámico y calculado con el Método del Momento del Elemento de Aspa fue 0.499, éste se considera un coeficiente de potencia elevado (Hansen, 2008), ya que el valor máximo teórico es de 0.593 (límite de Betz). Este coeficiente de potencia se obtuvo gracias al empleo del perfil S1210 el cual está optimizado para trabajar a Número de Reynolds bajos.
Las pruebas experimentales demostraron que este diseño aerodinámico también permitirá que el rotor genere un momento mínimo de 3.83 Nm, el cual es suficiente para iniciar con el giro del rotor a una velocidad de incidencia del viento, perpendicular al plano de rotación de la turbina, de 4 m/s. Las curvas obtenidas con el sistema de medición utilizado mantuvieron la misma forma durante todas las pruebas y durante el periodo de medición, que fue de 3 minutos, los valores de las velocidades y las fuerzas obtenidas se mantuvieron constantes.
Recomendaciones Con el fin de obtener mejores resultados es importante automatizar el diseño experimental, de tal forma que una vez colocada la sección de prueba, este sistema mecánico permita que el aspa rote para analizar a diferentes ángulos los coeficientes de sustentación y arrastre. En la metodología para el diseño aerodinámico del aspa, es necesario que se considere el diseño cuando el aspa se encuentra en reposo.
Referencias [1] World Wind Energy Association (2012); Small Wind World Report; New Energy; Husum [2] Potencia Industrial (2013), Hummingbird, US Patent 4136096, http://www.potenciaindustrial.com.mx, recuperado Mayo 2013. [3] Wright A.K., Wood D.H (2004); The starting and low wind speed behaviour of a small horizontal axis wind turbine; J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 92,pp. 1265-1279 [4] NREL (2012) National Renewable Energy Laboratory. Recuperado el 8 de Febrero de 2012, de : http://www.nrel.gov/ [5] Wood, D. (2011); Small Wind Turbines; Canada: Springer. [6] Manwell, J., McGowan, J.& Rogers, A.(2002). Wind Energy Explained. 7iley. [7] Hansen M.O.L (2008); Aerodynamics of wind turbines; Second edition, London:earthscan. [8] Jureczko M., Pawlak M., Mezyk A. (2005), Optimisation of wind turbine blades, Journal of Materials Processing Technology 167 (2005), pp. 463 471 [9] Clifton-Smith M.J.(2009), Wind Turbine Blade Optimization with Tip Loss Corrections, Wind Engineering Vol. 33, No. 5, pp. 477 496. [10] Hau Erich (2006); Wind Turbines, Fundalmentals, Technologies, Aplication, Economics; United Kindom; 2nd Edition,Springer.
Parques Eólicos en Yucatán: Perspectivas y retos: Visión Académica Diseño aerodinámico del aspa de una turbina eólica pequeña Gracias! MI. Nidiana Rosado Hau D. Phil. Mauricio Gamboa Marrufo