XII FORO DE RECURSOS NATURALES 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

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Contenido

Introducción

Objetivos Aerodinámica de aspas Metodología de diseño del aspa Pruebas experimentales Resultados Conclusiones

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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)

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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.

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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]

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

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]

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 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]

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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].

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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.

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Aerodinámica de aspas

Aerodinámica sobre el aspa de una turbina eólica[7]

Variación de cuerda y ángulo de torsión[8]

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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’

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 Para

cada sección del aspa las fuerza de empuje y torque tienen los siguientes valores:

dT  Bp N dr

dM  rBpT dr

dP  dM dT  4rV02 a(1  a) Fdr dM  4r 3 V0 (1  a)a' Fdr

Plano del rotor

Distribución de fuerzas sobre una sección de aspas

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 Factor

de Prandtl de pérdida de punta: corrige la suposición de un rotor con un número infinito de aspas [5] F

2



cos 1 (e  f )

f 

B Rr 2 r sin 

 Corrección

de Vidries: correcciones en la punta del aspa[9]. a

2  Y1  4Y1 (1  F )  Y12 2(1  FY1 )

Y1  4F sin 2  /(C N )

Y 2 4F sin  cos  /(Ct )

a' 

1 (1  aF )Y2 /(1  a)  1

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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 con el nuevo valor de Re.

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Definición de parámetros 1 3 P  C p R 2V0 2  





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]

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Elección del perfil

Prueba de 10 perfiles con xfoil

Curvas de cocientes L/D

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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.

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Obtención de curvas polares del perfil S1210

Cociente L/D a diferentes números de Reynolds

Coeficiente de sustentación a diferentes números de Reynolds

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Distribución cuerda y torsión 

Geometría de aspa 1: Región Hub al 10% del radio

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

Geometría de aspa2 : Región Hub al 15% del radio

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Cálculo de la potencia Aspa1 l 6 7 8

POTENCIA(W) 2842.16 2975.27 2859.93

EMPUJE(N) 876.68 1053.20 1207.01

Cp=0.505

Aspa2 l 6 7 8

POTENCIA(W) 2811.03 2943.11 2826.83 Cp=0.499

EMPUJE (N) 861.51 1036.50 1189.97

La mayor parte de la potencia se genera cerca de la punta

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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

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Diseño final

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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

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Vistas lateral y frontal del sistema experimental

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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 Velocidad escalada Base

Centro

Punta

(m/s)

(m/s)

4

20

3

15

1

5

4

20

3

15

1

5

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

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Resultados Fuerzas generadas en la sección de la base ´

´

´

15 m/s

´

´

´

20 m/s

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Fuerzas generadas en la sección del centro ´

´

´

15 m/s

´

´

´

20 m/s

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Fuerzas generadas en la sección de la punta ´

´

´

15 m/s

´

´

´

´

20 m/s

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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

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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.

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

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.

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

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.

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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.

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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.

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¡Gracias! MI. Nidiana Rosado Hau D. Phil. Mauricio Gamboa Marrufo