Estudio numérico del comportamiento aerodinámico de los álabes de un aerogenerador de 10 KW para mejorar su eficiencia

Abstract

En las últimas décadas, la utilización de tecnologías de generación eléctrica a partir de energías renovables no convencionales viene en aumento. En particular, las tecnologías que involucran paneles fotovoltaicos y aerogeneradores son dos de las alternativas más estudiadas y empleadas en aplicaciones prácticas. Las investigaciones sobre aerogeneradores generalmente involucran altas velocidades de viento. Más recientemente, las investigaciones sobre la optimización de aerogeneradores de baja potencia, los cuales funcionan a bajas velocidades de viento, han aumentado. El objetivo principal de esta tesis es estudiar numéricamente los álabes de un aerogenerador de baja potencia de eje horizontal para mejorar su eficiencia. El referido aerogenerador es caracterizado por una potencia de 10 kW y una velocidad de viento incidente de 6 m/s. En consecuencia, una metodología basada en dinámica de fluidos computacional (𝐶𝐹𝐷) y la teoría de momento del elemento de pala (𝐵𝐸𝑀) para el diseño y predicción de las características aerodinámicas de álabes de aerogeneradores, ha sido inicialmente concebida. Después, un acoplamiento del modelo numérico basado en 𝐶𝐹𝐷 juntamente con un algoritmo de optimización es llevado a cabo con la finalidad de optimizar perfiles aerodinámicos convencionales. Luego, la geometría óptima de los álabes del aerogenerador estudiado es determinada de forma que se maximice su eficiencia. Finalmente, los álabes diseñados son comparados en términos de desempeño energético e implicancias económicas. El modelo numérico utilizado para simular los perfiles aerodinámicos incluye el uso de una herramienta de 𝐶𝐹𝐷. La optimización de los perfiles aerodinámicos es basada en algoritmos genéticos (𝐺𝐴). Con los perfiles de álabe S809, NACA 4412 y aquel optimizado en este trabajo, tres tipos de álabes (base, comercial y optimizado, respectivamente) son diseñados utilizando la teoría 𝐵𝐸𝑀. Finalmente, los tres tipos de álabes así diseñados son comparados en términos cuantitativos. Los resultados muestran que el perfil optimizado presenta una razón de coeficientes de sustentación y arrastre (𝐶𝑙/𝐶𝑑) de 96.5, mientras que el perfil base presenta un 𝐶𝑙/𝐶𝑑 de 41.3, para ángulos de ataque (𝛼) de 6.5° y 6°, respectivamente. Asimismo, el perfil optimizado presenta espesuras y curvaturas máximas de 0.14 𝑐 (0.14 veces la cuerda) y 0.075 𝑐 en las posiciones 0.18 𝑐 y 0.42 𝑐, respectivamente. Para las condiciones de diseño, los álabes comerciales y optimizados generan hasta 23.89% y 42.37% de potencia adicional, respectivamente, con respecto a los álabes base.

In recent decades, the use of electricity generation technologies from non-conventional renewable energies is increasing. In particular, technologies involving photovoltaic panels and wind turbines are two of the most studied alternatives used in practical applications. Research on wind turbines usually involves high wind speeds. More recently, research on the optimization of low-power wind turbines, which operate at low wind speeds, has increased. The main objective of this thesis is to numerically study the blades of a low power wind turbine with horizontal axis to improve its efficiency. The referred wind turbine is characterized by a power of 10 kW and an incident wind speed of 6 m/s. Consequently, a methodology based on computational fluid dynamics (𝐶𝐹𝐷) and blade element momentum (𝐵𝐸𝑀) theory for the design and prediction of the aerodynamic characteristics of wind turbine blades, has been initially conceived. Then, a coupling of the 𝐶𝐹𝐷-based numerical model together with an optimization algorithm is carried out in order to optimize conventional aerodynamic profiles. Then, the optimal geometry of the blades of the wind turbine studied is determined in such a way that its efficiency is maximized. Finally, the designed blades are compared in terms of energy performance and economic implications. The numerical model used to simulate the aerodynamic profiles includes the use of a 𝐶𝐹𝐷 tool. The optimization of the aerodynamic profiles is based on genetic algorithms (𝐺𝐴). With blade profiles S809, NACA 4412 and that optimized in this work, three types of blades (base, commercial and optimized, respectively) are designed using 𝐵𝐸𝑀 theory. Finally, the three types of blades thus designed are compared in quantitative terms. The results show that the optimized profile has a lift-to-drag ratio (𝐶𝑙/𝐶𝑑) of 96.5, while the base profile has a 𝐶𝑙/𝐶𝑑 of 41.3, for angles of attack (𝛼) of 6.5° and 6°, respectively. Likewise, the optimized profile has maximum thickness and camber of 0.14 𝑐 (0.14 times the chord) and 0.075 𝑐 in the 0.18 𝑐 and 0.42 𝑐 positions, respectively. For design conditions, commercial and optimized blades generate up to 23.89% and 42.37% additional power, respectively, with respect to the base blades.