Estimación de los parámetros operativos de una turbina eólica de baja potencia mediante dinámica de fluidos computacional

Abstract

El presente informe detalla las actividades realizadas durante la Práctica Profesional Supervisada (PS) contemplada para la carrera de Ingeniería Mecánica de la Universidad Tecnológica Nacional. El objetivo fue estimar mediante técnicas de modelado los parámetros operativos del rotor de una turbina eólica de baja potencia, y evaluar la viabilidad del modelo desarrollado para una estimación de la eficiencia del rotor de la turbina. El uso de fuentes renovables para generar energía eléctrica lleva un desarrollo sostenido, contribuyendo a mitigar el cambio climático y aportando beneficios económicos (International Energy Agency, 2012). Entre las principales energías renovables se cuentan la energía eólica, la geotérmica, la hidráulica y la solar. Aunque la mayoría de los proyectos son de gran tamaño, la implementación de energías renovables en pequeña escala es adecuada para zonas rurales y remotas (World Energy Assesment, 2001). El generador eólico de baja potencia estudiado fue desarrollado por Hugg Piggott y se adecua a los requerimientos de una instalación eléctrica aislada de la red principal de energía. Corresponde al tipo de eje horizontal, velocidad de rotación variable, con tres aspas de ángulo de paso fijo, y un generador eléctrico que produce corriente alterna trifásica. Tiene un diámetro de rotor de 2,4 m y se estima que es capaz de producir 700 W de energía eléctrica a la velocidad nominal de viento incidente (Piggott, 2003). El manual para su fabricación da indicaciones sobre cómo tallar en madera las aspas del generador, pero no brinda información detallada acerca del desempeño aerodinámico de las mismas. Solo se menciona que están diseñadas para girar a una velocidad angular óptima relativa al viento frontal incidente sobre el rotor, y en estas condiciones generar la potencia nominal señalada. Resulta de interés obtener información sobre los parámetros aerodinámicos de las aspas con los que, mediante un modelo de análisis adecuado, sea posible evaluar la viabilidad de su instalación en distintos proyectos que contemplen el uso de energías renovables. Para el modelo de análisis se utilizó la teoría de la cantidad de movimiento del elemento de aspa, o BEM por la abreviación del nombre en inglés: blade element momentum theory. Para la determinación de los parámetros aerodinámicos que describen un perfil se optó por utilizar técnicas de ingeniería asistida por computadora. Esta opción es menos intensiva en recursos, tanto en tiempos de desarrollo como materiales o instalaciones necesarios, frente a métodos empíricos (Raphael y Smith, 2003). En particular, el diseño asistido por computadora (Computer Aided Design) y la dinámica de fluidos computacional (Computational Fluid Dynamics) permitieron el modelado de la geometría y su simulación bajo las condiciones de flujo requeridas con el fin de estimar los coeficientes de sustentación y arrastre de distintas secciones de las aspas.