50 - Diseño de una Turbina Eólica Bioinspirada de Baja Velocidad

Diseño de una Turbina Eólica Bioinspirada de Baja Velocidad
Mediante Simulación Numérica
Juan G. García1, César Nieto1, Julián Sierra1
(1) Facultad de Ingeniería Aeronáutica, Escuela de Ingeniería, Universidad Pontificia Bolivariana,
Circular 1 73-34, Medellín (Colombia)
(cesar.nieto@upb.edu.co)
RESUMEN
En la actualidad, es de gran relevancia mejorar la eficiencia y calidad de las diversas tecnologías
empleadas para la conversión de energía. En el sector eólico en particular, la optimización de las
turbinas eólicas considera el análisis de diversos factores con el fin de procurar una mayor
disponibilidad de los equipos y una mejor conversión de la energía disponible en el viento. En este
trabajo se aborda la optimización de un aerogenerador de baja potencia (inferior a 100 kW),
mediante el diseño aerodinámico de sus palas, a partir de la adaptación de un diseño existente en
la naturaleza de un sistema que presenta características de operación similares a una turbina
eólica. El trabajo incluye la caracterización funcional y formal de una semilla auto-rotante
(geometría base); el modelo matemático empleado durante las simulaciones numéricas realizadas
para la caracterización aerodinámica y el proceso de adaptación del diseño a la escala del
prototipo; la selección de los materiales y el proceso de manufactura del prototipo; y la respectiva
experimentación del mismo. El proceso implementado, permitió el desarrollo de un nuevo
aerogenerador bio-inspirado de baja potencia (1.8 m de diámetro), mediante la implementación de
simulaciones numéricas, con un coeficiente de potencia mayores a 0.5, superior al de equipos de
similares condiciones encontrados a nivel comercial.
INTRODUCCIÓN
La bio-mimética o bio-inspiración tiene como principal objetivo, el estudio de los fenómenos físicos
presentes en la naturaleza que nos rodea, para aplicarlos al desarrollo de tecnologías y procesos
que traten de dar solución a los problemas que enfrentan día a día ingenieros y científicos.
Algunos de los adelantos basados en bio-mimética incluyen entre otros, el desarrollo de
materiales adhesivos a partir del análisis nanoestructural de las extremidades de lagartijas que
pueden escalar superficies completamente verticales (Forbes, 2006), de materiales altamente
impermeables y con características de auto limpieza a partir del estudio de las superficies de la
flor de loto (Forbes, 2006), la implementación de algoritmos que pueden optimizar su desempeño
al momento de resolver problemas si siguen el modelo de trabajo de las abejas (Nafchi, et al.,
2011), la búsqueda por reducir la fuerza de arrastre en vehículos de transporte y deportistas
(ciclistas y nadadores olímpicos), conllevaron al estudio de la forma de los cuerpos y la
propiedades superficiales de diferentes animales marinos, entre los que se destacan tiburones y
delfines (Fish, 2006), (Oeffner y Lauder, 2011), entre otras tantas aplicaciones.
En el área de la generación de energía también se ha hecho uso de la bio-mimética para el diseño
de nuevos dispositivos, logrando imitar ciertos comportamientos encontrados en la naturaleza
aprovechando los flujos de aire y las corrientes marinas. Biowave es un sistema de generación de
energía eléctrica basado en el movimiento de las plantas subacuáticas (BioPower Systems, 2013),
desarrollado por la empresa australiana BioPower. Esta compañía también desarrolló otro modelo,
el BioStream, inspirado en la aleta de tiburón, que utiliza un sistema de oscilación que le permite
moverse de acuerdo a las corrientes marinas imitando la forma como se desplazan los tiburones.
La observación de la vida marina, ha permitido igualmente el desarrollo de generadores eólicos
más eficientes. En el trabajo de van Nierop (van Nierop, Alben y Brenner, 2008), se adaptan las
protuberancias que tienen las ballenas jorobadas en sus aletas a las palas de un aerogenerador.
De esta manera, se pudo incrementar la sustentación de la pala y a su vez, el ángulo en el que
entran en pérdida, presentando una notable disminución del arrastre por su capacidad para actuar
como generadores de vórtices, reduciendo la capa limite turbulenta y retrasando la separación del
flujo que pasa por la superficie. Igualmente, la empresa Zephir, desarrolló el aerogenerador
Airdolphin (Hikaru, 2008), que presenta un control de posicionamiento respecto al viento por
balanceo inspirado en el mecanismo de tracción de peces, con características de respuesta
mejores que controles sin balanceo comunes en el mercado.
Las plantas buscan preservar su especie utilizando diferentes mecanismos de dispersión,
logrando así que las semillas se establezcan en un nuevo ambiente eliminando la competencia
con el árbol madre. La adaptación de los mecanismos de dispersión a solución de algunos
problemas de ingeniería, permitió el desarrollo de la aeronave alemana Taube para misiones de
observación y entrenamiento. Igo Etrich (1879-1967) diseñó esta aeronave inspirándose en el
vuelo de una semilla de Zanonia, la cual se desplaza grandes distancias en el aire gracias a sus
alas membranosas en forma de ala volante (Naughton, 2006). Una de las semillas que más ha
sido investigada es la maple (Azuma y Yasuda, 1989), debido al fenómeno de auto rotación que
presenta, siendo un sistema estable por naturaleza. Estas características se han utilizado para el
diseño y construcción de monocópteros controlados remotamente que resuelven los problemas de
estabilidad de los helicópteros a escala. (Zyga, 2011). Igualmente, esta semilla se ha empleado
para el diseño de aerogeneradores de una sola pala (Walters y Hegna, 2006), a partir de la
mimetización y adaptación de su geometría y los efectos rotacionales que genera esta semilla al
caer del árbol.
En el presente trabajo, se presenta el proceso de diseño de un aerogenerador de baja potencia
desarrollado a partir de la caracterización del comportamiento aerodinámico de un tipo semilla que
emplea el mecanismo de auto rotación para su dispersión. La semilla autorrotante estudiada
presenta velocidades de rotación cercanas a las 1250 RPM cuando se somete a corrientes de aire
de 1 m/s. A partir de la caracterización elaborada, se desarrolló un aerogenerador de baja
potencia que opera a bajas velocidades de viento (entre 5 a 8 m/s) basado en la geometría
característica de semilla. Para el diseño del aerogenerador, se emplearon simulaciones numéricas
del flujo de aire sobre las superficies de las aspas bio-inspiradas. En este trabajo, se presentan las
etapas de evaluación, diseño y rediseño de estas componentes basadas fundamentalmente en la
aplicación de simulación numérica y en algunos casos complementados por experimentación. El
producto final, es un aerogenerador de baja potencia (1.8 m de diámetro), que presenta
coeficientes de potencia mayores a 0.5, superior al de equipos de similares condiciones.
ECUACIONES GOBERNANTES FLUJO DE FLUIDOS
Las ecuaciones gobernantes (continuidad, cantidad de movimiento y energía) son expresiones
matemáticas que permiten modelar la física de un fenómeno en el que se encuentra involucrado
algún fluido en movimiento. El comportamiento de este fluido se puede describir en términos de
propiedades macroscópicas, tales como la velocidad ( ), la presión ( ), la densidad del fluido ( ), y
relaciones de sus respectivas derivadas respecto al espacio
y el tiempo ( ). A continuación
se presenta la ecuación de continuidad para un fluido incompresible:
(1)
y las ecuaciones cantidad de movimiento en las direcciones
:
(2)
(3)
(4)
Donde
,
y
son las tasas de incremento de la cantidad de movimiento en
y por
unidad de volumen de una partícula del fluido. Los esfuerzos viscosos son y los sufijos
indican la dirección y posición de los esfuerzos viscosos. Los términos fuentes
,
y
incluyen las contribuciones debido a fuerzas de cuerpo como por ejemplo la fuerza gravitacional.
ECUACIÓN DE TURBULENCIA SST
Para el análisis del flujo bajo condiciones turbulentas, se utilizó el modelo RANS de dos
ecuaciones SST
, que es ampliamente aplicado para la evaluación de aerogeneradores
(Sørensen, Michelsen y Schreck, 2002). Este sistemas de ecuaciones, utiliza el modelo
en
la región cercana a la pared y el modelo
en la región totalmente turbulenta, aplicando una
función de transformación entre los dos modelos (Versteeg y Malalasekera, 2007). Dicho modelo
se define como:
[(
)
]
(5)
(
)
Donde las constantes del mismo se definen de la siguiente forma:
Esta ecuación define que la tasa de cambio de o más el transporte por convección de o es
igual al transporte de difusión turbulenta de o más la tasa de producción de o menos la
tasa de disipación de o más un término de difusión adicional (Versteeg y Malalasekera, 2007).
Especificando que es la energía cinética de turbulencia y es la tasa de disipación específica.
El modelo SST
es más exacto y confiable para muchos tipos de flujos (como flujos con
gradientes adversos de presión, perfiles, ondas de choque, entre otros) que el modelo
estándar (ANSYS, 2010).
METODO DE SOLUCIÓN
Para la solución se utilizó el programa comercial ANSYS FLUENT, que utiliza el método de
volúmenes finitos para la solución de las ecuaciones gobernantes presentadas previamente. En la
Fig. 1 se puede observar un esquema de la solución y la definición de las condiciones de frontera
consideradas. El lado izquierdo define la velocidad de entrada, donde se define la magnitud de
esta sobre el aerogenerador, mientras que en el lado derecho se define la presión de. Durante la
simulación se utilizan marcos de referencia móvil para simular flujos rotacionales. Este
procedimiento requiere de un dominio interior que rodea al aerogenerador y un dominio exterior
que a su vez rodea al domino interior. Sobre el dominio interior se define el valor de la
componente rotacional de la palas. Se utiliza además la herramienta periodicidad que permite
evaluar el comportamiento de todo el aerogenerador simulando una sola pala.
Fig. 1. Esquema de simulación y condiciones de frontera
CARACTERIZACIÓN FUNCIONAL Y FORMAL DE LA SEMILLA
La triplaris Samara, es una semilla tipo helicóptero que al desprenderse del árbol interactúa con el
aire, produciendo el efecto sustentador sobre sus hojas y por lo tanto la auto-rotación. La semilla
se compone de tres hojas unidas a un bulbo, definidas por una forma curva, similar al arco que
describe un cuarto de circunferencia como se observa en la Fig. 2. Estas hojas tienen una cuerda
y un radio promedio de 5.7mm y 21.56mm, respectivamente. El radio es la distancia desde el
centro del bulbo hasta la punta de una de sus hojas.
Fig. 2. Modelo virtual de la semilla triplaris
Fig. 3. Curvatura media de la semilla
Para conocer el perfil de la semilla, se realizaron cortes sobre varias hojas en diferentes secciones
de cada una, desde la raíz hasta la punta. Estos cortes fueron fotografiados para caracterizar la
sección transversal de las diferentes secciones de la hoja. A partir de cada imagen se extrajeron la
curvatura y el espesor. Estos valores fueron promediados para obtener el perfil de la semilla
donde la relación espesor/cuerda es igual a 0.0208 y la curvatura se define en la Fig. 3.
CARACTERÍSTICAS AERODINÁMICAS
Se realizaron pruebas experimentales de un grupo de semillas en un túnel de viento vertical donde
se determinó que la velocidad terminal promedio de caída de la semilla es igual a 1,13m/s,
alcanzando una velocidad de giro de 1322RPM. Según esta información el perfil de la semilla
opera a números de Reynolds con valores entre 500 y 1000, por tanto es un flujo laminar.
La evaluación aerodinámica del perfil de la semilla se realizó mediante ANSYS FLUENT.
Inicialmente se validó el método evaluando el perfil NACA0002 bajo condiciones de flujo laminar,
para el que se realizó un estudio de malla con el fin de asegurar la convergencia de los resultados
a partir del menor número de elementos. Luego se evaluó el perfil de la semilla para números de
Reynolds igual a 1000, 5000 y 10000 como se observa en la Fig. 4 (a), donde se aprecia el
aumento del coeficiente de sustentación (Cl) y la disminución del coeficiente de arrastre (Cd) a
medida que aumenta el número de Reynolds. Igualmente, se evaluó el perfil de la semilla a un
Reynolds de 6000 y se comparó frente los resultados encontrados por Kunz (Kunz y Kroo, 2001)
para el el perfil NACA4702 y un perfil optimizado para bajos números de Reynolds, evaluados a
las mismas condiciones. En la Fig. 4 (b) se observan resultados de sustentación-arrastre (L/D)
contra ángulo de ataque (Alpha) para los tres perfiles. Se puede apreciar que, el desempeño del
perfil de la semilla está por encima de los otros perfiles, sobre todo en ángulos de ataque
pequeños.
(a)
(b)
Fig. 4. Análisis del perfil de la semilla a diferentes números de Reynolds (a) y comparación del
perfil de la semilla frente a otros perfil para bajos números de Reynolds.
METODOLOGÍA DE DISEÑO
Con la caracterización de la semilla y la sección transversal de sus hojas se procedió a diseñar las
palas de un aerogenerador de eje horizontal utilizando la teoría BEM (Blade Element Method), a
partir de la adaptación de dicha forma para las condiciones de operación de este dispositivo. El
aerogenerador diseñado tiene 1.8m de diámetro (similar al de aerogeneradores comerciales de
igual potencia) y tres palas (igual número de hojas a la semilla), que conservan el arco definido
por las hojas de la semilla. Se utilizó una relación de velocidad en la punta (TSR por sus siglas en
inglés) igual a 6 (Manwell, McGowan y Rogers, 2009), indicando que la palas operarán a números
de Reynolds entre 1.0E+05 y 1.0E+06, superiores a los de operación en la semilla. Para
determinar las características aerodinámicas del aerogenerador, se realizó una selección del perfil
de las palas mediante XFLR5 (Drela, 2008), eligiendo el perfil SG6043 ya que presenta los valores
mayores de L/D en el rango definido. Cabe mencionar que por consideraciones estructurales se
varió el espesor del perfil, incrementándolo en la medida que este se acercaba a la raíz de la pala.
Con la teoría BEM se definió la distribución de torsión y de la cuerda a lo largo de la pala.
Definida la geometría de la pala, se utilizó ANSYS FLUENT para la evaluar el desempeño del
aerogenerador. En primer lugar se validó la metodología, simulando el aerogenerador NREL
PHASE VI, para el que se disponen resultados experimentales (Sørensen, Michelsen y Schreck,
2002), presentando niveles de error racionables para este tipo de evaluaciones (del orden de
10%). Validada la metodología, se procedió a evaluar el aerogenerador diseñado bajo diferentes
condiciones de operación, calculando el coeficiente de potencia (Cp) para cada caso. En la Fig. 5
se puede observar Cp en función de la velocidad de rotación RPM para diferentes velocidades del
viento.
Fig. 5. RPM vs Coeficiente de
En la Fig. 5 puede observarse, que los resultados de Cp para el aerogenerador alcanzan valores
cercanos al límite de Betz (0.593), indicando la novedad de este nuevo diseño en comparación
con otros encontrados en el mercado.
CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO A ESCALA
Debido a la naturaleza del prototipo diseñado, dos fenómenos físicos diferentes interactúan con la
geometría de la pala y causan solicitaciones que en principio parecerían contradictorias desde el
punto de vista estructural. El primer fenómeno físico incluye las fuerzas aerodinámicas sobre la
pala que causan que esta se flexione positivamente (intentando reducir su curvatura y el diámetro
efectivo del rotor). El segundo fenómeno físico incluye las fuerzas inerciales causadas por la
rotación del rotor. Estas fuerzas generan una flexión en sentido contrario al inducido por las
fuerzas aerodinámicas, provocando que el radio de curvatura de las palas aumente y el diámetro
efectivo del rotor también lo haga.
Las cargas aerodinámicas están asociadas directamente con el área de las palas y con la
velocidad de operación (definidas como criterios de diseño), mientras que las cargas inerciales
están asociadas a la velocidad de operación y la masa. Se buscó una solución de compromiso,
donde ambos fenómenos estuviesen cercanos a anularse entre sí, de manera que la geometría
deseada (definida en el diseño) se conservase a las condiciones de operación deseadas.
Realizando un estudio preliminar mediante elementos finitos, fue posible observar que las cargas
inerciales eran potencialmente más severas que las cargas aerodinámicas. Por esta razón, se
debían emplear materiales rígidos y muy ligeros, que se pudiesen conformar con relativa facilidad
con el fin de obtener la geometría compleja deseada, además de ser materiales de “bajo coste”.
La respuesta fue emplear materiales compuestos, ya que ofrecen una relación resistencia/peso
muy ventajosa y es posible fabricar geometrías complejas de manera “simple”. Con el fin de
mantener los costos bajos, se propuso el empleo de fibra de vidrio y fibra de carbono embebidas
en una matriz de resina epóxica, fabricados mediante impregnación manual en molde abierto
asistido con bolsa de vacío. Utilizar tejidos secos reduce los costos de producción con respecto al
uso de pre impregnados o técnicas de fabricación en molde cerrado.
En las zonas con bajos requerimientos estructurales se empleó fibra de vidrio, mientras que en las
zonas más solicitadas, se diseñaron refuerzos con fibra de carbono. Se definieron cinco diferentes
zonas de laminación (ver Fig. 6) con el fin de optimizar la estructura de acuerdo a los
requerimientos locales en la pala. Se emplearon tejidos y cintas unidireccionales según los
requerimientos específicos de los laminados en cada una de las zonas. Debido a las limitaciones
de espacio en el perfil aerodinámico de la pala, no se incluyó una estructura interna dentro de la
pala. Por esta razón, se aprovechó una parte del borde de ataque de la pala cerca de la raíz
(pestaña), para reforzar localmente la estructura mediante un “perfil en C”. Debido a que se
contaba con información experimental sobre las propiedades de los materiales empleados, a partir
de probetas fabricadas mediante los mismos procesos que los utilizados en la fabricación del
prototipo, fue posible reducir las incertidumbres y ajustar de manera más fina el diseño estructural
de la pala (Rivera, 2012).
Fig. 7. Zonas de laminación
Definidos los materiales y la estructura interna de la pala se continuó con el proceso de
manufactura. Cada pala está compuesta de tres partes: extradós, intradós y pestaña; esta última
refuerza la pala en la zona de la raíz. Para obtener cada una de estas partes se utilizaron moldes
fabricados en fibra de vidrio, los cuales a su vez se manufacturaron a partir de modelos. Los
modelos del intradós y el extradós se crearon mediante mecanizado numérico a partir bloques de
espuma de poliuretano de alta densidad. Mientras que el modelo de la pestaña se obtuvo
mediante impresión 3D. El proceso de manufactura de las piezas del prototipo se realizó mediante
laminación manual y bolsa de vació para eliminar las burbujas de aire y el exceso de resina. Con
las piezas completamente curadas, se cortaron los excesos de material y se unieron mediante un
adhesivo de poliuretano.
Cabe mencionar que dentro del desarrollo del aerogenerador también estuvo incluido el diseño y
construcción de la estructura metálica que lo soporta en sitio, así como de la nacela que protegen
al generador eléctrico. Sin embargo, las palas fueron las piezas sobre las que se concentró la
mayor parte del desarrollo en todos los aspectos.
EXPERIMENTACIÓN DEL PROTOTIPO A ESCALA
Las bajas velocidades del viento registradas en Colombia fueron una limitante para realizar las
pruebas, por lo que se descartó la opción de instalar el aerogenerador en algún sitio. También se
evaluó utilizar ventiladores o un túnel de viento que indujera las velocidades del viento sobre las
palas, pero no se contaba con ninguno que entregara el flujo másico requerido. Se optó por
realizar las pruebas en una camioneta montando una estructura que elevara el aerogenerador a
una altura suficiente donde se obtuviera un flujo homogéneo. La camioneta se movería a
diferentes velocidades, permitiendo simular el flujo al que estaría sometido el aerogenerador en
deferentes condiciones de operación. A la misma altura del aerogenerador se ubicó una estación
meteorológica, con el fin de valorar la velocidad del viento sobre estas dos componentes a iguales
condiciones.
Para la caracterización del aerogenerador se utilizó un sistema de medición y adquisición de datos
que permitiera monitorear todas las variables del sistema. Este consta de la estación
meteorológica que mide la velocidad y dirección del viento, un medidor de RPM del dispuesto en
el eje del aerogenerador, un controlador que mide la potencia generada, una batería y un receptor
PC, para almacenar los datos en tiempo real
Fig. 8. Velocidad vs Cp para el aerogenerador semilla
RESULTADOS Y ANÁLISIS
Las pruebas del aerogenerador se desarrollaron con un generador eléctrico comercial de 1kW de
potencia. De este sistema se obtuvo la curva del coeficiente de potencia en función de la
velocidad que se muestra en la Fig. 8. Se observa que el generador eléctrico reporta valores de
Cp por encima de 0.592, es decir por encima del límite de Betz. Cabe mencionar que la teoría que
define el límite de Betz está diseñada para un disco plano, sin embargo en este caso el área
mojada del aerogenerador de la semilla se asemeja más a un cono, y por tanto el máximo
coeficiente de potencia que se alcanzaría podría cambiar. En el caso de aerogeneradores de eje
vertical tipo Darrius, se ha podido establecer que el máximo Cp teórico, podría alcanzar valores
iguales a 0.64 (Newman, 1983).
Por otra parte, es importante mencionar que la combinación de las palas diseñadas junto con el
generador eléctrico comienzan a generar potencia a velocidades por debajo de 3m/s, logrando el
máximo coeficiente de potencia a 4m/s después, valor a partir del que el coeficiente de potencia
comienza a descender rápidamente hasta a valor por debajo de 0.1 cuando se alcanzan 12m/s.
Es importante mencionar que en estas pruebas, también se evaluó un aerogenerador de eje
horizontal WindTura 750, utilizando el mismo montaje que el aerogenerador semilla. El Cp máximo
reportado durante las pruebas bajo condiciones idénticas de operación, no superó el valor de 0.3.
CONCLUSIONES
Se desarrolló un aerogenerador de bajo potencia, a partir de la adaptación de la forma de una
semilla que emplea el mecanismo de auto-rotación para su dispersión. La caracterización
funcional y formal de la forma y operación de la semilla a sus condiciones de operación, permitió
la compresión de su aerodinámica y determinar los factores que dominaban su desempeño para
aplicarlo al diseño del aerogenerador. El proceso de adaptación aplicado, empleando
procedimiento experimentales y de simulación computacional, permitió diseñar un conjunto de
palas para un aerogenerador de eje horizontal optimizadas aerodinámicamente para operación
altos números de Reynolds con una estructura fabricada en materiales compuestos, diseñada
para soportar las diferentes condiciones de carga durante la operación. La evaluación del sistema
completo de aerogeneración permite obtener a bajas velocidades desempeños por encima de los
aerogeneradores comerciales, siendo factible su operación en lugares donde las velocidades
predominantes oscilen en un rango entre 3m/s y 6m/s. La curva de potencia para el sistema
diseñado, permite observar que se alcanza su máxima eficiencia a 4m/s (por encima de 0.6), valor
que va disminuyendo una vez se supera esta velocidad. Cabe mencionar que esta curva de
potencia puede cambiar y mejorarse en la medida que se empleé un generador eléctrico que se
ajuste a las características de operación de las palas. El valor máximo reportado para la eficiencia
del aerogenerador diseñado, presenta valores por encima del límite de Betz. Dicho
comportamiento se supone debido a que el área mojada del aerogenerador se acerca más a un
cono que a un disco plano, por lo tanto se debe entrar evaluar detalladamente la teoría y
redefinirla para que considere este tipo de geometrías lo que puede suponer la redefinición del
valor teórico máximo de extracción de potencia de un aerogenerador.
AGRADECIMIENTOS
El anterior proyecto se desarrolló gracias al importante apoyo de la Universidad Pontificia
Bolivariana y a la Convocatoria 523-2011 de Colciencias.
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