AERODINÁMICA DE TURBINAS EÓLICASDE BAJA POTENCIA

Bruno Storti, Ignacio Peralta, Sebastián Carenzo

Laboratorio de Flujometría (FLOW) - Departamento Ingeniería MecánicaFacultad Regional Santa Fe - Universidad Tecnológica Nacional

Lavaise 610, Santa Fe (S3000ZAA), Argentinaflow@frsf.utn.edu.ar

Palabras claves: Energías renovables, Energía Eólica, CFD.

RESUMENEl objetivo general de este trabajo es obtener diseños óptimos de turbinas eólicas debaja potencia mediante la simulación por computadora, utilizando herramientas demecánica de fluidos (CFD) para aumentar la eficiencia aerodinámica de los álabes. Sepersigue mejorar la producción específica de energía de los aerogeneradoresdisponibles en el mercado, lograr la generación de energía con bajas velocidades deviento, y reducir el ruido que generan en operación. Estos resultados preliminares son parte inicial de un proyecto PID que propone unaporte original y de impacto significativo en el diseño de álabes para turbinas eólicas:utilizar elementos finitos inversos (IFEM) para determinar la geometría de fabricacióndel álabe, tal que al ser sometido a las cargas de operación y sufrir grandesdeformaciones, recupere exactamente la geometría aerodinámica óptima. Estopermitirá mejorar la eficiencia del aerogenerador en la condición de operación.

INTRODUCCIÓNEl abastecimiento de energía se ha convertido en un elemento vital para el crecimientode las economías de la mayoría de los países. Los altos costos de importación dehidrocarburos, y los problemas asociados al cambio climático, han impulsado elestudio de fuentes renovables y limpias para producir energía [1], siendo la industriaeólica la que se ha consolidado como la mayor productora de energía renovable anivel mundial. Las turbinas eólicas de eje horizontal se clasifican en turbinas de baja potencia siproducen hasta 50 KW [2]. Los elementos principales de toda turbina son los losálabes (están ubicados en el rotor, y transforman la energía cinética del viento enenergía mecánica al eje de la turbina), un generador de energía eléctrica, y una torresoporte [3]. La potencia que genera la turbina es función de cuatro parámetros: de ladensidad del aire del área del rotor A, de la potencia cubica de la velocidad delviento V, y del factor de operación de la turbina CP [4], tal como expresa la Ecuación(1).

P= 12

ρCP AV3

La potencia generada para una determinada velocidad de viento y diámetro de rotor,es función del factor de operación CP. El factor de operación CP resulta del producto de tres parámetros: de la eficienciaaerodinámica de los álabes ηA, de la eficiencia de la transmisión mecánica ηT, y de laeficiencia eléctrica del generador ηE [5], y se pone de manifiesto en la Ecuación (2).

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Ecuación (1)

CP=ηA ηT ηE

Mientras que la eficiencia de la transmisión mecánica ηT y del generador ηE tienenvalores elevados, del orden del 80%, la eficiencia aerodinámica de los álabes ηA, sueleser del 10% o 15% para turbinas eólicas de baja potencia [5]. Este reducido valor dena ηA es consecuencia de las simplificaciones geométricas realizadas al fabricar losálabes , y de la falta de estudios aerodinámicos profundos para diseñarlos.Aumentando ηA (lo cual implica mejorar la aerodinámica de los álabes) es posibleproducir más energía, sin tener que recurrir a aumentar el tamaño de la turbina, o aprecisar mayores velocidades de viento [6]. Desde principios del siglo XX se conoceque ηA tiene un límite teórico máximo de 59.3% (conocido como límite de Betz),aunque la práctica resulta sensiblemente menor debido a diferentes pérdidas: aquellasoriginadas por la geometría (perfil aerodinámico), por el efecto de punta, por el númerofinito de álabes (pérdidas de Schmitz), y por el cambio de dirección del viento alatravesar el rotor (pérdidas de Whirlpool) [7].Por lo tanto, en este trabajo proponemos estudiar mediante simulaciones con CFD loscoeficientes de empuje (lift) y arrastre (drag) de los álabes (incluyendo los efectosviscosos muchas veces ignorados en turbinas eólicas [8]), el torque generado por laturbina. los vórtices y la separación de flujo para distintos ángulos de ataque de losálabes. La entrada en pérdida en función de cada ángulo de ataque, se analizará paradeterminar el ruido producido por la turbina en operación.

OBJETIVOSEl objetivo general de este trabajo es estudiar y optimizar la aerodinámica de losálabes de turbinas eólicas de baja potencia mediante simulaciones computacionalesde CFD. Se pretende mejorar el coeficiente de empuje (lift), y reducir el coeficiente dearrastre (drag), reducir los vórtices y desprendimientos de flujo, y reducir los niveles deruido. La velocidad de viento utilizada para los cálculos por CFD esta comprendida enel rango de 5 y 10 m/s, el largo de los alabes entre 5 y 7 metros, la altura de la turbinaes de 20 metros, y la potencia que se pretende obtener es aproximadamente 30 KW.

METODOLOGÍALas ecuaciones de Navier-Stokes (ecuaciones diferenciales parciales acopladas, nolineales y de segundo orden) restringidas a un fluido viscoso e incompresible,representan el modelo matemático más apropiado para un flujo viscoso con efectoscompresibles despreciables. Su resolución numérica se realiza con el modelo RANS(Reynolds Averaged Navier Stokes), un modelo de flujo viscoso en el cual sepromedian las variables en el tiempo y se resuelve el problema para el flujo medio [9]mediante el método de los volúmenes finitos (FVM). En este trabajo se utilizó elsoftware comercial Ansys CFX 10 [10].Para modelar la turbulencia se utilizó el modelo SST [11], un modelo de dosecuaciones basado en la hipótesis de Boussinesq. Numerosos trabajos handemostrado que el modelo , el más popular entre los de dos ecuaciones porrobustez y bajo costo computacional, no es capaz de capturar correctamente laseparación del flujo en modelos turbulentos cuando la capa limite no esta en equilibrio.En cambio, SST utiliza el modelo en las paredes del cuerpo, y el modelo enel seno del fluido [12], y es el recomendado para los estudios aerodinámicos. Se trabajara con rotores formados por tres álabes ya que presentan un buen equilibrioentre la velocidad de rotación, el torque de arranque, y la distribución de cargas queactúan sobre el eje de la turbina.

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Ecuación (2)

Los tres álabes son idénticos, y su perfil aerodinámico inicial se determino segúninformación obtenida en bibliografía específica [13]. Posteriormente, se realiza laoptimización geométrica mediante simulación por computadora. Para discretizar eldominio fluido se utilizó una malla no estructurada de elementos tetraédricos.Respecto a las condiciones de contorno, se considera una entrada con velocidad deviento V (variable entre 5 y 10 m/s), densidad = 1.2047 kg/m3, y viscosidadcinemática ν = 1.45 x 106 m2/s. Se utilizó una ley de pared sin deslizamiento (no-slip)para el suelo y para la columna soporte, una condición tipo opening para el dominioque rodea a la turbina, y los álabes tienen una velocidad angular que es función de lavelocidad del viento. En la salida, se considera que el valor de la presión es laatmosférica. La malla y las condiciones de contorno se presentan en la Figura 1.

Figura 1: Malla de volúmenes finitos, y condiciones de contorno.

RESULTADOSDe las simulaciones numéricas en CFD se obtienen los conclusiones cualitativas, ycuantitativas.

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Figura 3: Energía cinética turbulenta. Figura 4: Líneas de flujo.

La energía cinética turbulenta (ECT) es la energía cinética específica promediada en eltiempo, contenida en los vórtices de un flujo turbulento. Es la cantidad de energíacinética del flujo medio que ha sido transformada en vórtices ante la presencia dedesprendimientos. Cuanto mayor sea la ECT, mayor es la energía contenida en losvórtices, Figura 3. Cuando se produce el desprendimiento en un flujo, la energíacinética del flujo medio se transfiere a través de la ECT a vórtices de gran escala, quea su vez transfieren esta energía en forma de ECT a vórtices de media escala, hastaque finalmente esta energía es disipada por vórtices de pequeña escala donde losefectos viscosos superan a la energía cinética.En la Figura 4 se presentan las líneas de flujo que se desprendes de los álabes, dondecada una de ellas resulta de seguir la trayectoria de una partícula desde que ingresahasta que sale del dominio. Están relacionadas con la distribución de presión, ycuando las líneas de flujo se curvan, la presión aumenta en sentido normal a las líneasde flujo, en dirección saliente desde el centro de curvatura. Estos resultados sonalentadores, ya ha sido posible disminuir el porcentaje de flujo desprendido y validarlos resultados publicados en la referencia [13].

CONCLUSIONESEn este trabajo se presentaron los estudios aerodinámicos preliminares que se estánrealizando sobre los álabes de turbinas eólicas para mejorar la potencia específicagenerada. Las simulaciones computacionales se realizan mediante el softwarecomercial de CFD Ansys CFX 10, haciendo uso del método RANS y un modelo deturbulencia SST.A futuro, y en el marco del proyecto PID al que pertenece este trabajo, proponemos unaporte original que consiste en utilizar simulaciones computacionales con elementosfinitos inversos IFEM para determinar la geometría de fabricación de los álabes, talque al ser sometidos a las cargas de operación, recuperen la geometría aerodinámicaóptima.

REFERENCIAS[1] Revista Clean Energy. Año 4. Nro. 14. Enero 2013. ISSN 2250-401X.[2] Mathew, S. Philip, G. Wind Turbines: Evolution, Basic Principles, and Classif. Ren.Ener. 2. 93-111. 2012.[3] Jha, A. R. Wind Turbine Technology. CRC Press. Boca Raton, USA. 2011.[4] Tong, W. Wind Power Generation and Wind Turbine Design. Wit Press. USA. 2010.[5] Simic, Z. Havelka, J. G. Vrhovcak, M. B. Small wind turbines – A unique segment ofthe wind power market. Ren. Ener. 50. 1027-1036. 2013[6] Hansen, M. O. L. Aerodynamics of Wind Turbine. Earthscan. USA. 2008.[7] Gasch, R. Twele, J. Blade geometry according to Betz and Schmitz. Wind PowerPlants. 168-2017. 2012.[8] Bavanish, B. Thyagarajan, K. Optimization of power coefficient on a horizontal axiswind turbine using bem theory. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 26. 169-182. 2013.[9] Hirsch, C. Numerical computation of internal and external flows. The fundamentalsof Computational Fluid Dynamics. John Wiley and Sons, Ltd., 2007.[10] ANSYS-CFX. The CFX approach to turbulence modeling. Accurate and effectiveturbulent flow simulations. ANSYS Incorporated, 2005.[11] ANSYS-CFX. Innovative Turbulence Modelling: SST Model in ANSYS CFX.ANSYS Incorporated, 2005.[12] Wilcox, D. Turbulence Modeling for CFD. DWC Industries. California, 1994.[13] Tangler, J. L. Somers, D. M. NREL Airfoil families for HAWTs. National RenewableEnergy Laboratoty. US Department of Energy. Informe WE429180. 1995.

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