Estudios del emplazamiento eólico en medios urbanos usando simulación computacional y análisis de generación de entropía

Abstract

La energía eólica en medios urbanos es un tema de gran interés por su cercanía al consumo y su origen renovable. Sin embargo, es necesario estudiar los emplazamientos óptimos para las turbinas eólicas con el fin de obtener la máxima generación de energía. El objetivo de este trabajo de título es estudiar, a través de simulaciones numéricas, el flujo de aire en ambientes urbanos con distintas configuraciones de ciudad, enfocándose en el análisis del potencial eólico y la generación de entropía. Entre sus objetivos específicos están generar un modelo simplificado de ciudad para realizar simulaciones en software CFD, simular la capa límite atmosférica, y obtener la distribución de potencial eólico y la generación de entropía en una ciudad. Para el presente trabajo de título, se desarrolla una metodología de trabajo que consta de cuatro partes principales. En primer lugar, se define el problema y la manera en que se aborda. Luego, se define el entorno urbano con sus parámetros para un total de 18 casos a simular. Posteriormente, se realiza la simulación de fluidos computacional, donde se seleccionan los parámetros de malla, las condiciones de borde asociadas al problema, y las condiciones de las simulaciones. Además, se debe asegurar la homogeneidad horizontal de la capa límite atmosférica. Finalmente, se tiene la obtención y análisis de resultados a través de los softwares CFD Post y Matlab. De los resultados, se obtiene que la configuración de la ciudad influye en gran medida en la distribución del potencial eólico, y que el criterio que permite seleccionar un emplazamiento por potencial no coincide con el de menor generación de entropía. Existe una gran concentración de flujo en el borde superior del edificio de interés que enfrenta el flujo, así como en los bordes laterales correspondientes, que es una zona que no suele considerarse para la instalación de turbinas eólicas. Los edificios que se encuentran tras otros de similar altura no presentan concentración de flujo. No obstante, al sobresalir de su entorno, éstos presentan una alta concentración independiente de su altura. Se observa que la generación de entropía es alta cercana a los bordes superior y laterales que enfrenta el flujo, por lo que se recomienda la instalación de turbinas eólicas por sobre los cinco metros como distancia segura en que existe una generación de entropía mínima. En este trabajo de título se logra estudiar el emplazamiento de turbinas eólicas en medios urbanos, a través del análisis de generación de entropía y el potencial eólico. Como conclusión, las zonas de alta concentración de flujo no coinciden con las de menor generación de entropía, por lo que se necesita optimizar estas dos variables para determinar el mejor emplazamiento recomendable. A pesar de esto, se observa que sobre los cinco metros, como referencia, la generación de entropía es mínima en cualquier punto sobre el techo.