Determinación de cargas y momentos aerodinámicos en el álabe de una turbina eólica tipo Darrieus de pequeña escala

Abstract

En la actualidad las energías de fuentes renovables son vistas por muchos como el futuro energético para nuestro país y el mundo. El viento es una de las fuentes más interesantes, pudiendo convertir su energía cinética en energía eléctrica mediante aerogeneradores. Entre los aerogeneradores está la turbina de eje vertical tipo Darrieus, de las cuales no se cuenta con mucha información tridimensionales acerca de la interacción entre sus álabes y el viento, que permitan determinar la magnitud y distribución de las cargas sobre el alabe y el torque aerodinámico que estos tienen cuando la turbina está girando bajo condiciones dadas. Estos parámetros son de vital importancia a la hora del diseño y construcción de una turbina tipo Darrieus, ya que ayudaran a conocer puntos de sujeción de alabes y los tipos de materiales que se deben utilizar para resistir la influencia del viento. El trabajo presentado a continuación tiene por objetivo determinar y cuantificar las cargas y momentos aerodinámico en los álabes simétricos de una turbina eólica tipo Darrieus, esto para posterior uso en la definición de criterios de diseño estructural mediante análisis teóricos y simulaciones computacionales bajo condiciones de operación dadas. Para conseguir el objetivo descrito, se estudia y analiza el funcionamiento de las turbinas Darrieus desde el punto de vista aerodinámico. Luego se lleva a cabo un análisis teórico de las fuerzas sobre el álabe girando, utilizando las ecuaciones gobernantes de un cuerpo sumergido en un fluido, en este caso aire en movimiento en interacción con un álabe. Luego se realizan simulaciones con el programa ANSYS CFX 14.5.0. Con el fin de reducir el uso de recursos computacionales, se simula el perfil alar variando su ángulo de ataque cada 5° en condiciones estacionarias y con velocidades incidentes iguales a las velocidades relativas que se forman como resultante del giro de la turbina y del viento propiamente tal. Finalmente se realiza una comparación entre los datos teóricos y los experimentales. Algunos alcances de las simulaciones son que no se consideraron interferencias entre los álabes, lo cual pudiera afectar al resultado y que el fluido incidente no posee perturbaciones, teniendo un perfil de velocidad uniforme y laminar. Los resultados de las simulaciones en este estudio se condicen mayoritariamente con los resultados teóricos. Se pueden observar como resultados que la distribución de las cargas es de forma parabólica, estando las máximas presiones en el centro del álabe y disminuyendo hacia los extremos de manera simétrica. Por otra parte, los máximos torques aerodinámicos se producen cuando la sustentación del perfil es máximo y viceversa.