REVISTA (2017) 4–8, 41-44. ISSN 2395-8510

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CONAMTI  2017  Mecatrónica-Energías Renovables-Sistemas Computacionales-Innovación Agrícola

Propuesta de un aerogenerador de baja potencia para abastecimiento de energía eléctrica en viviendas

Martínez Espinoza S1, Campero Ángeles E1, Azuara Jiménez J. A1, García Domínguez Jairo1,*

1División de Ingeniería en Energías Renovables, Instituto Tecnológico Superior de Huichapan, Domicilio Conocido s/n, El Saucillo Huichapan Hidalgo, México, * correspondencia: jgarcia@iteshu.edu.mx

A R T ÍCULO

Acceptado 30 Octubre 2017

Palabras clave: Dinámica de Fluidos Computacionales, Energía eólica, Potencia, Sustentabilidad, Viento

RESUMEN En las últimas décadas las energías renovables han tenido un fuerte impacto en la generación de energía eléctrica para satisfacer la demanda energética de la sociedad de una manera sustentable. La energía eólica tiene gran potencial para ser aprovechada en algunas zonas para la generación de energía eléctrica tanto a pequeña como a gran escala. El objetivo del presente trabajo es proponer la implementación de aerogeneradores de baja potencia interconectados a la red para contribuir al abastecimiento de la demanda energética que requiere una vivienda. Los resultados arrojan un cálculo de área de barrido del rotor tripala de 2.26 m2 para un aerogenerador de 100 W de potencia que opera a velocidades medias cercanas a los 5 m/s, el análisis realizado mediante Dinámica de Fluidos Computacionales (CFD) en Flow Simulation referente a la distribución de presiones en el aerogenerador, arrojó valores de presiones dinámicas de hasta 192.92 Pa.

1.  INTRODUCCIÓN

Una opinión muy extendida entre las personas que dedican su vida al estudio y desarrollo de las diferentes formas de obtención de energía ya sea por medio de combustibles fósiles, energías tradicionales o mediante el uso de energías renovables creen que la posibilidad de sustituir la mayor parte de centros de obtención de energía basados en energías no renovables por energías renovables es una posibilidad que cobra mucho sentido en la actualidad y en un futuro no muy lejano [1]. Por otra parte, los efectos negativos del cambio climático pueden ser mitigados con el uso de las energías renovables y al mismo tiempo satisfacer las necesidades energéticas Dentro de la gama de la utilización energías renovables, se encuentra la generación de energía eléctrica aprovechando energía del viento como una medida óptima para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, garantizar la seguridad energética del país y abastecer de energía eléctrica a diferentes sectores de la población. La importancia alcanzada por la energía eólica se pone de manifiesto a través del hecho que en la actualidad está presente en la mayoría de países de economía desarrollada o emergente [2]. La energía eólica en particular no genera ninguna emisión durante la fase de operación lo que, unido a su carácter renovable, la convierte en una de las energías más prometedoras tanto a nivel global como local [3]. La producción de energía eléctrica a partir de la fuerza del viento se ha centrado en la generación de energía a gran escala, sin embargo, la utilización de aerogeneradores de baja

potencia es una alternativa para satisfacer una parte de la demanda energética en las viviendas. Un aspecto a tomar en cuenta en la generación de energía eléctrica a partir de fuentes renovables de energía, es obtener la mayor eficiencia global, que es el producto de las eficiencias de los componentes del sistema. Los elementos principales de todo aerogenerador son los álabes (están ubicados en el rotor, y transforman la energía cinética del viento en energía mecánica al eje del aerogenerador), un generador de energía eléctrica, y una torre de soporte [4]. El mayor aprovechamiento de la energía del viento se logra con el uso de perfiles aerodinámicos, situación que hace que el rotor juegue un papel importante en la captación y transformación de energía. Los aerogeneradores pueden contribuir al suministro de energía eléctrica. La potencia entregada por un aerogenerador tripala de eje horizontal está en función de los siguientes parámetros: ρ (densidad del viento), A (Área de barrido del rotor), v (velocidad del viento) y Cp (coeficiente de potencia). Las dimensiones del rotor pueden ser conocidas a partir de la ecuación de potencia, está información es de suma importancia cuando se realizan diseños de equipos enfocados al suministro de cierta demanda de energía eléctrica. El presente trabajo propone la implementación de aerogeneradores de baja potencia interconectados a la red de suministro eléctrico para instalar en viviendas y de esa manera contribuir a satisfacer la demanda energética y la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero, para lo cual

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se modela y se somete a dinámica de fluidos computacionales un aerogenerador para conocer la distribución de presiones en el rotor. Con la implementación de aerogeneradores de baja potencia interconectados a la red se puede satisfacer la demanda de energía eléctrica de las viviendas de manera sustentable además de obtener un ahorro económico por parte del usuario.

2.  MATERIALES Y MÉTODOS

La propuesta de aerogeneradores se contempla para el municipio de Huichapan Hidalgo y municipios aledaños (Nopala de Villagrán, Tecozautla y Jonacapa) cuyas características del viento tales como velocidad y dirección [5] se obtuvieron mediante Windnavigator.

Se propuso un aerogenerador de eje horizontal de tres palas [6], las partes de un aerogenerador de este tipo se muestran en la figura 1.

Figura 1. Aerogenerador de eje horizontal. Fuente: Revista eólica y del vehículo eléctrico

(https://www.evwind.com/)

Se llevó a cabo el cálculo del rotor del aerogenerador teniendo como parámetro de entrada una velocidad media de aproximadamente 5 m/s (velocidad media registrada en la zona de estudio) así como una potencia del aerogenerador de 100 W (Potencia de generación propuesta). A continuación se muestran ecuaciones empleadas para determinar el diámetro del rotor [7]:

Ecuación de la potencia eléctrica entregada por un aerogenerador

tripala de eje horizontal:

𝑃 =   $%𝜌𝜋𝑅%𝑣*𝐶𝑝 (1)

Donde: P = Potencia eléctrica generada (W) 𝜌 = Densidad del aire (kg/m3) R = Radio de barrido del rotor (m) v = Velocidad del viento (m/s) Cp = Coeficiente de potencia.

De la ecuación 1 podemos obtener la ecuación 2 que nos permite calcular la dimensión del radio del rotor.

𝑅 =   %-./0123

(2)

Una vez calculado el diámetro del rotor, se llevó a cabo la selección del perfil aerodinámico para las palas. De la Base de datos de Investigaciones Aerodinámicas (AID), por sus siglas en inglés, fue seleccionado el perfil AH 79-100 C AIRFOIL.

Se obtuvo el archivo .DAT de coordenadas normalizadas que definen la geometría del perfil aerodinámico, el cual fue importado en Excel para posteriormente ser utilizado en la construcción del perfil de las palas en el software SolidWorks 2016.

Utilizando la geometría del perfil se realizó el modelado de la pala, así como de componentes que conforman el aerogenerador, los cuales fueron ensamblados en SolidWorks 2016.

Finalmente se sometió el ensamble del aerogenerador a un análisis CFD para conocer el comportamiento de las presiones dinámicas y velocidades del viento alrededor del modelo CAD.

3.  RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La velocidad media del viento en la zona de estudio obtenida mediante Windnavigator fue de aproximadamente 5 m/s a una altura de 10 metros con respecto al suelo como se muestra en la figura 2, dato de gran importancia al momento de dimensionar la longitud de las palas de un aerogenerador.

Figura 2. Características del viento de la zona de Huichapan obtenidas mediante Windnavigator.

La tabla 1 muestra el valor de las variables y constantes utilizadas para el cálculo de las dimensiones del rotor. Tabla 1. Valores de variables y constantes para el dimensionamiento de las palas.

Variables y constantes Valor Unidades Potencia eléctrica a generar (P) 100 W

Densidad del aire (𝜌) 1.225 kg/m3

Velocidad del viento (v) 5 m/s Coeficiente de potencia (Cp) 0.3

Sin unidades

Radio de barrido del rotor (R) 0.85 m

Una vez realizados los cálculos de la dimensión del rotor se procedió a elegir un perfil aerodinámico (sección transversal de las palas del aerogenerador), mismo que se muestra en la figura 3. La importancia del perfil aerodinámico en las palas del aerogenerador radica en lograr una fuerza de sustentación mayor que la fuerza de arrastre, pues solo de esta manera se consigue el giro del rotor.

Palas

Torre

Buje

Góndola

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Figura 3. Perfil aerodinámico del aerogenerador. Se procedió a realizar el modelo CAD de las palas en el software SolidWorks 2016 con base en el perfil aerodinámico seleccionado y la dimensión del rotor calculada mediante la ecuación 2 obteniendo las palas del aerogenerador como se muestra en la figura 4.

Figura 4. Modelo CAD de una pala del aerogenerador. Posteriormente se modeló el resto del aerogenerador, contemplando el diseño de la torre, góndola y buje, figura 5.

Figura. 5 Modelo CAD del aerogenerador obtenido mediante SolidWorks 2016

Se realizó el análisis de Dinámica de Fluidos Computacionales (CFD) en el software. Se creó un dominio computacional [8] de 3 m x 3.5 m x 9 m. En la figura 6 se visualizan las líneas de flujo del viento que impactan con el aerogenerador, cuyo borde de ataque del perfil forma un ángulo de 15° respecto a la dirección del viento, a una velocidad media de aproximadamente 5 m/s.

Figura. 6 Líneas de Flujo de viento en el aerogenerador El análisis CFD permite visualizar en un Cut Plot el rango de presiones dinámicas (35 Pa - 193 Pa) en el aerogenerador, Figura 7.

Figura. 7 Cut Plot de Presiones en Flow Simulation

Para la generación de energía eléctrica a gran escala se consideran velocidades medias del viento por encima de 6.7 m/s, que arrojan una densidad de potencia mínima de 400 W/m2. Las características del viento en la zona de estudio a la altura de 10 metros no son factibles para la generación de energía eléctrica a gran escala, sin embargo, son útiles para generar energía a pequeña escala y contribuir al abastecimiento de energía eléctrica en viviendas, así como para electrificación rural, pues a una velocidad de 5 m/s se puede obtener una densidad de potencia aproximada de 200 W/m2.

4. CONCLUSIONES

Los aerogeneradores de baja potencia son equipos que pueden instalarse sobre las viviendas, pues sus dimensiones permiten que se incorporen a la infraestructura de casas habitación. La aplicación de un aerogenerador tripala con área de barrido de 2.26 m2 con una generación de 100 W de potencia sometido a velocidades de aproximadamente 5 m/s (velocidad predominante en la zona de estudio) puede satisfacer la demanda energética hasta en un 20% en el hogar. La implementación de herramientas computacionales enfocadas al diseño y simulación de tecnologías que aprovechan la energía eólica, facilita la visualización y comportamiento de los prototipos en distintos escenarios sometidos a ciertas condiciones propias de cada zona. Los datos de presiones dinámicas obtenidos del análisis CFD con un borde de ataque

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del perfil de 15° respecto a la dirección del viento arrojaron un valor de 192.92 Pa. Los valores obtenidos en la simulación son la base para trabajos futuros en los que se analice el desempeño mecánico del aerogenerador, así como mejoras en su construcción. Se convierte en una necesidad el generar energía eléctrica de manera eficiente mediante el desarrollo y aplicación de la energía eólica en las viviendas, y las velocidades del viento predominantes en la zona de interés pueden generar energía con una densidad de potencia de alrededor de 200 W/m2 que puede contribuir a reducir la quema de hidrocarburos para la generación de energía eléctrica, así como a un desarrollo sustentable, la dirección predominante del viento (NNE), es una situación benéfica para la orientación de los aerogeneradores, sin que los sistemas mecánicos de orientación sufran excesivo desgaste y de esta manera aprovechar la energía cinética del viento.

REFERENCES

[1] García, S. (2014). Using Renewable Energy to provide Domestic Hot Water (DHW), Heating and Electric Power in an Isolated House. Workrooms Journal, (2), 2386-2483. [2] López, M. (2012). Ingeniería de la energía eólica. Ed. Marcombo. [3] Domínguez, J., Lago, C., Prades, A., & Díaz, M. (2010). Energías renovables y modelo energético, una perspectiva desde la sostenibilidad. [4] Jha, A. (2011). Wind Turbine Technology. CRC Press. Boca Raton, USA. [5] (2017) The AWS TRUEPOWER website. [Online]. Available: https://dashboards.awstruepower.com/wsa [6] (2016). AID, Airfoil Investigation Database. [Online]. Available: http://www.airfoildb.com/ [7]Burton, T., Sharpe, D., Jenkins N., Bossanyi E., (2001). Wind energy handbook. John Wiley & Sons. [8] SOLIDWORKS 2016 FLOW SIMULATION, DASSAULT SYSTEMES, 2016.