Estudio experimental de la estela de un aerogenerador de tres aspas

Abstract

La creciente utilización de sistemas de generación de energía renovable ha provocado un aumento importante en la investigación y desarrollo de estas tecnologías. Particularmente, el campo de la generación mediante energía eólica es uno de los más importantes hoy en día. Un factor determinante en la capacidad de generación a través de energía eólica es la eficiencia de las turbinas. Es común en estas máquinas encontrar eficiencias en torno al 45\%, Entre los factores que determinan la eficiencia están los aspectos geométricos y aerodinámicos de la turbina, y la estela turbulenta generada por las palas y el rotor. Esta ultima en particular es determinante tanto en la eficiencia individual de aerogeneradores como en la eficiencia global en el caso de parcelas eólicas, debido a la interferencia entre distintas turbinas. Se sabe que la gran mayoría de las pérdidas de eficiencia de las turbinas eólicas se deben a turbulencias generadas por las palas del rotor, por lo que la minimización de estas es el objetivo principal de los diseñadores hoy en día. Estos aspectos motivaron este trabajo de título, en el cual estudiamos experimentalmente el funcionamiento de una turbina eólica al interior de un túnel de viento mediante anemometría de hilo caliente. Se diseñó y construyó un modelo a escala de un aerogenerador y se instaló dentro del túnel de viento del laboratorio LEAF-NL, de la Universidad de Chile Se midió la potencia de la turbina como función de la velocidad de flujo del túnel de viento en un rango de velocidades de flujo de entre 0.5 y 3 [m/s] (TSR o tip speed ratio de 1.1 a 5.3), lo que entrega como resultado la curva característica de los aerogeneradores (curva S). A través un sistema de posicionamiento motorizado en 2D se midió el campo de velocidades en distintos planos transversales de la estela. Para esto se utilizó un anemómetro de hilo caliente operado de manera síncrona con la posición angular instantánea del rotor de la turbina, con el objetivo de realizar una detección coherente de la velocidad en la estela con la posición angular del rotor. De esta manera se obtuvo el campo de velocidades medio y fluctuante asociado a la posición de las palas de aerogenerador. La medición sincronizada de los promedios temporales de velocidad permite identificar la influencia de cada de cada pala en la estela y además identificar la distribución de intensidad turbulenta. Finalmente se generaron mapas de velocidad en distintos planos de corte transversal a la estela, con lo que adicionalmente se logró evaluar la expansión de la estela y poder obtener un parámetro de razón de áreas, dicho parámetro permite calcular con éxito los coeficientes de potencia y empuje (Cp y Ct), los cuales coinciden con los valores reales medidos.