Diseño aerodinámico del aspa de una turbina
eólica pequeña
MI. Nidiana Rosado Hau
D. Phil. Mauricio Gamboa Marrufo
Contenido
Metodología de diseño del aspa Aerodinámica de aspas Pruebas experimentales Resultados Introducción Objetivos 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
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]
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
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
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:
dr
Bp
dT
N dM rBpT dr dP
dMPlano del rotor Distribución de fuerzas sobre una sección de aspas
Fdr a a V r dT 4 02 (1 ) Fdr a a V r dM 4 3 0(1 ) '
Factor de Prandtl de pérdida de punta: corrige
la suposición de un rotor con un número infinito
de aspas [5]
Corrección de Vidries: correcciones en la
punta del aspa[9].
) ( cos 2 1 f e F 2 rsin r R B f ) 1 ( 2 ) 1 ( 4 2 1 2 1 1 1 FY Y F Y Y a ' (1 ) 1/(1 ) 1 2 a Y aF a ) /( sin 4 2 1 F CN Y ) /( cos sin 4 2 F Ct Y Metodología de diseño del
aspa
Definición λ, B, Vo, D Elección del perfil
Obtención de curvas CL(Re,α) y CD(Re,α) con xfoil Re inicial, CL óptimo, CD 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
3 0 2 2 1 V R C P p
Coeficiente de potencia del rotor en función de la relación de velocidad de punta[10]
Diámetro 10 m
Viento 5 m/s
Relación de
velocidad de
punta,
l
Número de aspas
Definición de parámetros
Prueba de 10 perfiles con xfoil
Curvas de cocientes L/D
Elección del perfil
Las curvas polares, se pueden obtener:
Túnel de viento
Simulación
DesignFoil PROPID Xfoil AirfoilPred FoilSimCada 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
Geometría de aspa 1: Región Hub al 10% del
radio
Geometría de aspa2 : Región Hub al 15% del
Cálculo de la potencia
La mayor parte de la potencia se genera cerca de la punta Aspa1 l POTENCIA(W) EMPUJE(N) 6 2842.16 876.68 7 2975.27 1053.20 8 2859.93 1207.01 Aspa2 l POTENCIA(W) EMPUJE (N) 6 2811.03 861.51 7 2943.11 1036.50 8 2826.83 1189.97 Cp=0.505 Cp=0.499Modelo 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
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
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) Velocidad escalada (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°
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
20 m/s 15 m/s ´ ´ ´ ´ ´ ´ ´Magnitud del momento generado en la turbina eólica debido a las 3 aspas
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.
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.
Diseño aerodinámico del aspa de una turbina
eólica pequeña
MI. Nidiana Rosado Hau
D. Phil. Mauricio Gamboa Marrufo
Visión Académica
