Formación Doctoral Turbinas Eólicas de Eje Vertical

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Plan de Formación Doctoral 1. Título de la Propuesta de Doctorado “Diseño de turbinas eólicas de eje vertical mediante herramientas de simulación”. 2. Información del Aspirante Nombre: José Daniel Montenegro Vidal Cédula de Identidad: 14.932.833 Fecha de Nacimiento: 02-01-1982 Lugar de Nacimiento: Barinas, Estado Barinas-Venezuela Estudios de Pregrado: Ingeniería Mecánica, Mayo de 2009, Universidad de Los Andes (ULA-Mérida). 3. Información del Tutor Nombre: Jean François Dulhoste Cédula de Identidad: 15.174.069 Profesor Titular de la Escuela de Ingeniería Mecánica

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Investigación preliminar para comenzar mi doctorado en Ciencias aplicadas a la ingenieria en el área de turbinas eólicas de eje vertical

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  • Plan de Formacin Doctoral

    1. Ttulo de la Propuesta de Doctorado

    Diseo de turbinas elicas de eje vertical mediante herramientas de simulacin.

    2. Informacin del Aspirante

    Nombre: Jos Daniel Montenegro Vidal

    Cdula de Identidad: 14.932.833

    Fecha de Nacimiento: 02-01-1982

    Lugar de Nacimiento: Barinas, Estado Barinas-Venezuela

    Estudios de Pregrado: Ingeniera Mecnica, Mayo de 2009, Universidad de Los Andes

    (ULA-Mrida).

    3. Informacin del Tutor

    Nombre: Jean Franois Dulhoste

    Cdula de Identidad: 15.174.069

    Profesor Titular de la Escuela de Ingeniera Mecnica

  • 4. Resumen

    Desde hace varias dcadas, se viene investigando de manera creciente sobre alternativas energticas menos contaminantes y ms eficientes, para satisfacer la demanda del mundo moderno, que en la actualidad mantiene una dependencia considerable ante los combustibles fsiles. Segn la Agencia Internacional de Energa, la participacin de la energa elica se cuadruplicar de aqu al 2040. Sin embargo, nuestro pas y gran parte de la geografa mundial, no disponen de condiciones de viento ideales, en las que se han enfocado las tecnologas elicas actuales, por lo que se requieren desarrollos de tecnologas que aprovechen condiciones de viento menos favorables. Nuestra propuesta se basa en la investigacin de los parmetros inherentes al diseo y funcionamiento de las turbinas de eje vertical, particularmente las de tipo Savonius para hacerlas ms eficientes en la generacin de electricidad aprovechando vientos de baja velocidad, unindonos de manera objetiva a los modelos energticos que desde el punto de vista ambiental y econmico causarn un impacto notable en las sociedades modernas. Para ello plantemos el estudio de las turbinas elicas de eje vertical mediante el uso de simulaciones fluidodinmicas, para comprender mejor su funcionamiento y proponer mejoras en el diseo. En cierta forma se plantea un estudio terico tendiente a la optimizacin de estas turbinas, para hacerlas ms eficientes y aptas al aprovechamiento de la energa con las condiciones de viento disponibles. El resultado de este proyecto pretende ser la base para el desarrollo y construccin de prototipos a ser elaborados en futuros proyectos.

    5. Actividades del Doctorado

    a. Cursos de Nivelacin

    Del programa del Postgrado de Ingeniera Mecnica

    1. Anlisis Numrico Avanzado. 4 UC 2. Taller de Metodologa. 3 UC 3. Mecnica de fluidos avanzada 3UC 4. Mecnica de fluidos computacional 3UC 5. Diseo Mecnico por Computadora 3UC.

    Del programa de sistemas de potencia

    6. Energas alternativas 4 UC

  • b. Cursos Previos al Examen de Candidatura

    Del postgrado de Ing. Mecnica

    1. Turbomquinas avanzadas. 3UC 2. Energa Elica (programa a elaborar) 3UC 3. Simulacin Dinmica de Sistemas Multicuerpo 3UC 4. Materiales 3UC 5. Programacin avanzada en C++ (por definir)

    Del postgrado de sistemas de potencia

    1. Calidad de suministro de la energa elctrica 4UC 2. Generacin distribuida 4UC

    c. Actividades Doctorales

    1. 2 publicaciones en congresos nacionales 4UC 2. 2 publicaciones en congresos internacionales 6UC 3. 2 pasantas (mnimo 1mes c/u) en centros de investigacin 6UC 4. Dictado de 2 seminarios 4UC

    6. Propuesta de Tesis

    a. Planteamiento de la Investigacin a Realizar

    El acceso a la energa elctrica est directamente relacionado con el desarrollo de una Nacin. En Latinoamrica, las personas que no tienen acceso a sta, suelen ser familias rurales pobres que viven en comunidades pequeas y dispersas con pocas posibilidades de crecimiento. Por ello, aunque las ciudades cuenten con electricidad, llevar sta a dichas comunidades es muy difcil y costoso, y se acerca al lmite tcnico y econmico de cada pas especfico en la regin. Por todo ello, hay una gran diferencia entre el nivel de electrificacin urbano y el rural.

    La creciente contaminacin ambiental hace que las naciones industrializadas vengan investigando de manera creciente sobre alternativas energticas menos contaminantes y eficientes para satisfacer la demanda de un mundo moderno, altamente dependiente hoy en da

  • de los combustibles fsiles. La Agencia Internacional de Energa public el World Energy Outlook 2014(IEA, 2014) [1], reporte que realiza un profundo anlisis de la matriz energtica mundial actual y su proyeccin a 2040, destacando el rol clave que tendrn las energas renovables. Segn este su utilizacin aumentar en casi todos los pases de la OCDE (Organizacin para la Cooperacin y el Desarrollo Econmico), llegando a un 33% para el 2040.

    En cuanto a recursos renovables se refiere, todos los pases de la regin latinoamericana cuentan con abundantes posibilidades (radiacin solar, viento, altas precipitaciones, mareas,). El problema que tienen las energas renovables en esta zona, son los costos elevados que tienen los equipos y la tecnologa que stos conllevan, pues la mayora de estos pases no dispone de la capacidad necesaria para instalarlos. Adems de esto, otro inconveniente es el hecho de que estn poco desarrolladas las mediciones de los recursos, para adecuar correctamente estos a las necesidades energticas. En el caso de Venezuela, en trminos generales, confrontamos adems en la actualidad una grave crisis energtica que no excluye a las zonas urbanas, causada por dficit de generacin, saturacin de las lneas de transmisin y distribucin, y descuido general de la infraestructura elctrica. Entre las opciones planteadas para complementar la creciente demanda de energa elctrica, est la explotacin de fuentes de energas renovables, entre ellas, la elica.

    Tomando en cuenta los factores sociales, ambientales y econmicos antes descritos, estamos convencidos de que si bien es cierto que las energas renovables han venido tomando importancia crucial en el mundo entero desde hace mucho tiempo, en nuestro caso particular nunca antes nos urgi tanto como ahora avanzar esta direccin.

    Es conocido que en Venezuela existen pocos lugares con alta potencialidad para el aprovechamiento de la energa elica, estos se encuentran en la Isla de Margarita, la Guajira y en localidades insulares. Mediana potencialidad encontramos en la pennsula de Paraguan, Valle medio del ro Chama (Lagunillas, Estado Mrida) y algunos lugares del interior en los que se presentan sistemas de vientos regionales [2]. La mayor parte de la geografa del pas, y del mundo, presenta vientos de baja velocidad y frecuencias muy irregulares, condiciones que no se adaptan a la tecnologa actual de aprovechamiento de la energa elica. Es por ello que proponemos un estudio basado en la posibilidad del aprovechamiento del potencial elico para vientos de baja velocidad, enfocndonos en turbinas de eje vertical, especficamente las de tipo Savonius, por su sencillez y bajo costo, pero sin dejar de lado en la investigacin otros modelos como las del tipo Darrieus, ya que nuestra estrategia incluye investigacin en las geometras de los modelos, lo cual podra conducirnos a un hibrido de varios diseos segn los resultados que se vayan obteniendo de los estudios.

    Un aerogenerador Savonius [3] es el diseo ms simple entre los aerogeneradores de eje vertical, pudiendo construirse equipos artesanales, con un barril metlico cortado diametralmente y con ambas mitades desplazadas de su eje. Este tipo de aerogenerador es por lo general de

  • construccin bastante rudimentaria, su tecnologa no es tan avanzada y con frecuencia son poco eficientes. Existen muchos estudios que han apuntado a modificar su geometra, tanto desde el punto de vista de simplificacin de construccin como de mejora de eficiencia [4] y algunos anlisis numricos [5]. Para poner las cosas en perspectiva, este tipo de molino opera actualmente en el rango de 15% 25% de eficiencia [3] pero tiene la particularidad de funcionar con muy bajas velocidades de viento.

    Los aerogeneradores Darrieus [3], son turbinas constituidas por dos palas en forma de hojas delgadas, unidas al eje en los extremos con una curva diseada para optimizar el rendimiento. No requieren sistema de direccionamiento y comienzan a funcionar con velocidades de viento de 2 m/s ,existiendo autores [6] que afirman que este tipo de aerogenerador requiere como mnimo velocidades de viento de 4 m/s a 5m/s para un correcto funcionamiento. El diseo de flujo de aire de las aspas de una turbina vertical Darrieus se compone de un lado plano y uno curvo. El modelo Darrieus arranca mal,[6] mientras que el Savonius se puede poner en funcionamiento con una pequea brisa; debido a ello se puede hacer una combinacin sobre un mismo eje de ambas mquinas de forma que un rotor Savonius actu durante el arranque y un rotor Darrieus sea el que genere la energa para mayores velocidades de viento.

    Nuestro proyecto se basa en el anlisis de un diseo tal que pueda hacer factible el aprovechamiento del potencial elico en zonas no consideradas hasta ahora como ideales para parques elicos a gran escala. Con tal fin nuestro plan es valernos de los mtodos numricos, el diseo de geometras, anlisis y simulacin dinmica de fluidos por computadora (CFD) y otras herramientas pertinentes, para ir obteniendo informacin de primera mano que nos permita ir avanzando en mejoras al diseo de turbinas de eje vertical. Con el objetivo de avanzar a etapas superiores del proyecto disminuyendo cada vez ms el margen de incertidumbre y nos conduzcan a un conocimiento concreto que pueda ser aprovechado para satisfacer por lo menos en parte nuestras necesidades, y poder aprovechar la energa elica en un amplio porcentaje de la geografa del pas.

    b. Objetivos

    Objetivo General

    Estudiar el funcionamiento de las turbinas de eje vertical con el fin de optimizarlas para su utilizacin con bajas velocidades de viento.

  • Objetivos especficos.

    1. Estudiar el funcionamiento y caractersticas de los diseos de turbinas de eje vertical actuales, y mejoras que se disponen hasta el momento en la bibliografa.

    2. Estudiar, en la bibliografa existente, las caractersticas de los vientos a nivel nacional, y definir unas caractersticas de viento a considerar para el estudio a realizar.

    3. Seleccionar el modelo de turbina vertical que mejor se adapte al funcionamiento con bajas velocidades de viento, particularmente referidas a las caractersticas definidas en el objetivo anterior.

    4. Realizar modelados del funcionamiento fluidodinmico de la turbina seleccionada mediante algn software disponible.

    5. En base al estudio realizado, proponer modificaciones o mejoras de la turbina modelada para optimizar su funcionamiento a las condiciones de viento especificadas para el estudio.

    6. Realizar modelados de la turbina con las modificaciones propuestas.

    7. Hacer anlisis comparativo de los resultados del modelado con y sin modificaciones. Tomando en cuenta tanto los aspectos relacionados con el rendimiento como los constructivos.

    8. Proponer un diseo optimizado de la turbina en base al anlisis realizado.

    c. Antecedentes

    Las turbinas elicas de baja potencia (turbinas de eje vertical) son aplicaciones de generacin de energa elctrica en menor escala, existiendo equipos desde los 0,5 kW hasta turbinas a nivel de prototipo comercial con potencia de 4.000 kW. Estas tecnologas estn orientadas, principalmente, a satisfacer demandas menores sin conexin a la red de distribucin local. Por

  • tratarse de sistemas de menor escala, los factores de planta no superan el 45% , variando segn la tecnologa y lugar especfico, mientras que su eficiencia oscila entre 15 y 20% [3].

    Entre las turbinas de eje vertical se encuentra el aerogenerador Savonius, que parece ser particularmente prometedor para aplicaciones de baja potencia, puede tomar ventaja de una construccin simple, fiable y rentable, [6] puede arrancar con poco viento, siendo muy sencilla su fabricacin; tiene una velocidad de giro pequea y su rendimiento es relativamente bajo.Aunque el aerogenerador Savonius sufre de bajo rendimiento, en comparacin con otras turbinas de viento que poseen una gran complejidad general y costos ms altos, estudios recientes [4] a travs de modelos numricos computacionales validados por medio de datos experimentales obtenidos en el tnel de viento ambiental de la Universit Politecnica delle Marche, sugieren que siguiendo directrices distintas para el desarrollo de nuevas y ms eficientes geometras de rotor, implementando palas de perfil alar innovadoras o utilizando un nuevo sistema de auto-orientacin con respecto a la direccin del viento, es posible producir mejoras sensibles en trminos de la eficiencia energtica en este tipo de aerogenerador.

    Se ha propuesto tambin [5] una nueva configuracin de la cubeta de un aerogenerador Savonius. Se han realizado anlisis numricos para estimar el rendimiento de la configuracin propuesta con respecto al aerogenerador Savonius con solapamiento nico. Adems se hicieron estudios paramtricos para una relacin de superposicin fija, variando la posicin de la ranura; los resultados muestran que para la ranura situada cerca de la raz de la pala, el rotor Savonius mejora su desempeo en relacin a baja velocidad, lo que evidencia un mejor par de arranque.

    Otro modelo de turbina de eje vertical, la de tipo Darrieus tambin ha suscitado inters en algunos investigadores. Se han propuesto modificaciones [7] luego de analizar el efecto del espesor de perfil aerodinmico y el ngulo de las palas en el rendimiento de las turbinas Darrieus de tres palas. Los resultados de la investigacin muestran que el aumento de espesor de perfil aerodinmico y el ngulo de paso de la cuchilla, puede mejorar el coeficiente de potencia. Cuando el ngulo de paso de la cuchilla es 1, el coeficiente de potencia alcanza el valor mximo mientras que un ngulo de inclinacin negativo tiene un impacto negativo en el coeficiente de potencia e incluso crea coeficientes de potencia negativos.

    Es conocido que el modelo Darrieus arranca mal, mientras que el Savonius se puede poner en funcionamiento con una pequea brisa; debido a ello se puede hacer una combinacin sobre un mismo eje para ambas mquinas de forma que un rotor Savonius acte durante el arranque y un rotor Darrieus sea el que genere la energa para mayores velocidades del viento [6],razn por la cual nuestro planteamiento no se limita a las turbinas Savonius o Darrieus exclusivamente, tenemos inters en diseos hbridos que podran ofrecer ventajas frente a cada modelo por separado como indican investigaciones recientes [8] al colocar un aerogenerador Savonius y un aerogenerador Darrieus bajo un solo rotor permitira la captura de la energa elica por un perodo ms largo de tiempo en un lugar de condiciones de viento de baja velocidad. Los autores

  • afirman que han logrado la reduccin del auto-arranque en el modelo hibrido a partir de viento con rapidez de 1,8 m/s mientras que para un modelo autnomo Darrieus el auto-arranque se efectu cuando el viento alcanz una rapidez de 3 m/s. Se han estudiado otras configuraciones para modelos hbridos mediante simulaciones dinmicas [9] una que llamaron Tipo A , instalando el rotor Savonius en el interior del rotor Darrieus y otra que llamaron Tipo B donde se instal el rotor Savonius fuera del rotor Darrieus. Los resultados calculados de las caractersticas de salida y el comportamiento dinmico del sistema operado en los puntos de mximo coeficiente de potencia, mostraron, segn los autores, que el Tipo A reflej un comportamiento muy positivo en relacin a los cambios de velocidad del viento, y podra ser diseado de forma compacta debido a un eje de rotacin ms corto lo que podra resultar como un modelo eficiente para sistemas de pequea escala.

    Es conveniente destacar que las herramientas computacionales, CAD, CAE y CFD han jugado un papel protagnico en los avances que se han logrado en los ltimos aos en este tema, permitiendo indagar en una serie de variaciones, parmetros, factores y posibilidades que debido a los resultados alentadores pero no concluyentes, sugieren continuar investigando en diversas direcciones especficas, ampliando las posibilidades de desarrollo y disminuyendo la incertidumbre antes de plantearse formalmente la construccin de algn prototipo definitivo [10], y es precisamente en este tipo de herramientas donde tenemos planteado apoyarnos en nuestra investigacin particular. Si bien es cierto que algunos pases han tomado la delantera investigando y haciendo progresos en cuanto a la generacin de electricidad aprovechando la energa del viento, este contina siendo un campo donde an resta mucho por descubrir o en muchos casos optimizar, hasta lograr en un futuro, ojal no muy lejano que este tipo de energa no sea en nuestro pas una alternativa casi desconocida sino una opcin real y competitiva para hacer frente por lo menos en parte a los retos ambientales que se plantea el mundo y a su vez a los problemas particulares que enfrenta nuestro pas de manera puntual en lo que ha generacin de electricidad se refiere.

    d. Alcances

    Nuestro proyecto ser desarrollado netamente mediante modelado y simulacin fluidodinmico de las turbinas de eje vertical. Se pretende que el diseo obtenido sirva de base para el desarrollo de prototipos con alguna mejora perceptible comparada con la eficiencia obtenida con estos dispositivos en la actualidad.

    La elaboracin de dichos prototipos no forma parte de los alcances del proyecto, por lo cual sern propuestos para ser elaborados en futuros proyectos.

  • e. Metodologa

    El trabajo propuesto consiste en desarrollar modelos de turbinas elicas (Savonius, Darrieus), hacer simulaciones de la fluidodinmica de estas para determinar la potencia que podran generar en diversas condiciones, particularmente con baja velocidad de viento, analizar los resultados y proponer posibles modificaciones geomtricas para mejorar su eficiencia, es decir, de alguna manera optimizar su funcionamiento. En este planteamiento se podra pensar en utilizar diversos tipos de rodetes y hacer comparaciones para determinar el mejor, o elegir un tipo de geometra al principio y optimizar el mismo valindonos de herramientas CAD y simulacin de fluidos por computadora.

    En una primera etapa realizaremos una revisin bibliogrfica actualizada para establecer de manera objetiva los avances en el tema, de la misma manera familiarizarnos con los logros alcanzados o tropiezos enfrentados recientemente por otros investigadores, digerir y reflexionar sobre sus sugerencias, que unidos con los conocimientos obtenidos en los cursos de nivelacin y del doctorado, puedan ofrecernos una visin ms amplia sobre los parmetros y condiciones de funcionamiento que intervienen en la generacin de electricidad mediante turbinas elicas de eje vertical.

    Durante una segunda etapa, y teniendo como referencia la informacin obtenida durante la primera etapa, comenzaramos el proceso de diseo asistido por computadora, variaciones en la geometra de los componentes trascendentales en los diferentes modelos de turbinas elicas de eje vertical, para pasar inmediatamente a estudiar dichos modelos mediante simulaciones usando dinmica de fluidos computacional, que de manera enftica se ha incluido como una materia crucial durante los cursos de nivelacin. Esperamos obtener con las simulaciones, tendencias de funcionamiento que nos indiquen cuales variaciones estaran influyendo positiva o negativamente en la eficiencia de las turbinas, adems de aportarnos la posibilidad de hacer comparaciones directas entre los modelos, dejando incluso como una posibilidad tentativa el estudio de modelos hbridos. Por lo tanto esta etapa ser sin lugar a dudas un proceso iterativo de ensayos, variaciones y modificaciones, con la finalidad de obtener resultados que puedan conducir en un futuro a la construccin de un prototipo de turbina elica de eje vertical, en el cual podamos obtener una mejora en cuanto a la eficiencia. (Ver figura 1).

  • Figura 1. Metodologa propuesta.

  • f. Referencias Bibliogrficas

    1. International Energy Agency (2014). World Energy Outlook 2014. Recuperado de http://www.worldenergyoutlook.org/

    2. Rigoberto Andressen L. y Carlos La Rosa (2012). Energa Elica Evaluacin Meteorolgica De Su Aprovechamiento En Venezuela. Revista Terra. Vol. XXVIII, N 43, 2012, pp. 71-88.

    3. Centro de Energas Renovables (2011). Energa Elica. Recuperado de http://cifes.gob.cl/tecnologias/eolica/ .

    4. Tartuferi, M., D'Alessandro, V., Montelpare, S., & Ricci, R. (2015). Enhancement of Savonius wind rotor aerodynamic performance: a computational study of new blade shapes and curtain systems. Energy, 79371-384. doi:10.1016/j.energy.2014.11.023.

    5. Alaimo, A., Esposito, A., Milazzo, A., Orlando, C., & Trentacosti, F. (2013). Slotted Blades Savonius Wind Turbine Analysis by CFD. Energies (19961073), 6(12), 6335-6351. doi:10.3390/en6126335 .

    6. Pedro Fernndez Diez (1993), Energa Elica. Santander, Espaa: Servicio Publicaciones E.T.S.I. Industriales y T.

    7. Jingru, C., Zhenzhou, Z., & Tao, L. (2014). Characteristic analysis of three-bladed Darrieus wind turbine based on the multiple streamtube model. Applied Mechanics & Materials, (651-653), 663-667. doi:10.4028/www.scientific.net/AMM.651-653.663 .

    8. Bih Lii, C., Misaran, M. S., Yan Yan, F., Rahman, M., & Barahim, B. E. (2014). Development of Mixed Vertical Axis Wind Turbine (MVAWT) for Low Wind Condition. Applied Mechanics & Materials, (660), 811-815. doi:10.4028/www.scientific.net/AMM.660.811 .

  • 9. Wakui, T., Tanzawa, Y., Hashizume, T., & Nagao, T. (2005). Hybrid configuration of Darrieus and Savonius rotors for stand-alone wind turbine-generator systems. Electrical Engineering In Japan, 150(4), 13-22.

    10. Hussain M., M., Mehdi, S. N., & Reddy, P. R. (2008). CFD Analysis of Low Speed Vertical Axis Wind Turbine with Twisted Blades. International Journal Of Applied Engineering Research, 3(1), 149-157.

    7. Plan de Trabajo

    El plan de trabajo se presenta en la Tabla 1

  • Tabla 1. Plan de Trabajo