Rotor de un aerogenerador a un generador eléctrico UNIVERSIDAD POLITECNICA

Introducción

La energía eólica es la energía obtenida a través del viento, en otras palabras, la energía cinética generada por el efecto de las corrientes de aire y esta es transformada en otras formas y puede ser aprovechada de otras formas útiles para las actividades humanas. Hoy en día, en la forma en la que más la utilizamos y necesitamos en forma de energía eléctrica, la energía eléctrica es producida por dispositivos llamados aerogeneradores.

Un gran problema que la energía eólica nos ayuda a resolver es la situación que se esta viviendo respecto al calentamiento global; este tipo de energía es un recurso abundante, renovable, limpio y nos ayuda a disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero que son producidos por la quema de combustibles fósiles para la obtención de energía eléctrica.

Una parte muy importante de los aerogeneradores es el diseño aerodinámico que tengan cada una de sus piezas en especial sus palas.
Las palas y su aerodinámica son,  las que van a estar entregando el movimiento al rotor y este a su vez al generador eléctrico, por lo tanto, el diseño de las palas son de suma importancia para conocer la cantidad de energía que tendremos de salida de nuestro generador eléctrico.

Justificación

Lo que se va a hacer en el proyecto es el acomplamiento del rotor de un aerogenerador a un generador eléctrico, la razón por la cual se hace el proyecto es para aprender a diseñar y modelar un rotor eléctrico en base a los parámetros que se establecieron en un principio, como, la potencia máxima de salida del generador y de esta manera diseñar el rotor que pueda ser el mas eficiente para el generador. La forma en que se va a realizar el proyecto es por medio del software Qblade y por medio de Excel, en el cual Qblade nos va a funcionar para el diseño de nuestro rotor en base al perfil aerodinámico que se nos asigno. Este proyecto nos ayudara a resolver un problema real, que probablemente hoy en dia no es muy frecuente pero en unos años puede ser la solución de una problemática a la que nos enfrentaremos.

Formulación del Problema

El problema del proyecto es que tenemos un generador que ya esta fabricado y no se pueden hacer modificaciones en el, lo que si podemos modificar es el rotor del aerogenerador al que va conectado el generador eléctrico y hacer que el rotor cumpla con la especificaciones del generador eléctrico de tal forma que sea un proceso más eficiente. Y vamos a llegar a la solución dependiendo el diseño del rotor del aerogenerador, más que nada en sus palas que son las que nos proporcionan la energía que estará llegando al rotor.

Objetivo

El objetivo general de este proyecto es hacer el acoplamiento del rotor de un aerogenerador a un generador eléctrico, de la forma en que el diseño de nuestras palas entregue cierta potencia al rotor y con esto cumplir con el límite de energía eléctrica de nuestro generador o hacerlo lo más cercano a él; para obtener así la mayor eficiencia de nuestro sistema.

Los objetivos específicos del proyecto son: calcular la curva de potencia del aerogenerador, obtener el tamaño a partir de la potencia teórica, diseñar el rotor en Qblade, obtener la eficiencia del rotor diseñado y obtener el factor de multiplicación óptimo para maximizar la eficiencia.

Metodologia

Para la predeterminación de la potencia teórica del rotor se tomaron en cuenta diversos puntos como:

• Las velocidades promedio del viento que inciden sobre las palas, en este caso de 10m/s.
• La demanda de número de revoluciones por minuto requerida por el generador eléctrico para poder comenzar a entregar energía eléctrica.
• Área que abarca el rotor al comenzar a girar.
• Potencia que entrega el rotor dada por la siguiente ecuación: [pic 3]

• Potencia nominal del generador eléctrico.

Para el diseño en QBlade del ala con perfil NREL S816 se siguieron los siguientes pasos:

• Se calculó el diámetro requerido para cumplir con la potencia de entrada del generador eléctrico mediante la siguiente ecuación:  1.1[pic 4]
• Se calculó la velocidad tangencial,  1.2 sabiendo que n es el número de revoluciones donde se encuentra la eficiencia máxima y por consecuente tendremos las rpm que entregarán la potencia máxima del rotor.[pic 5]
• Se calculó la velocidad relativa,  1.3[pic 6]
• Con los datos obtenidos se conoció el valor del número de Reynolds que usamos para el análisis del perfil dado por la siguiente ecuación; 1.4[pic 7]

Donde L es la longitud transversal que atraviesa el viento a lo largo de la pala y  la viscosidad del viento.[pic 8]

• Una vez teniendo el número de Re correspondiente se analizó en el software comenzando a hacer las simulaciones y el ajuste de la gráfica para poder comenzar el diseño de la pala del rotor.

Antes de poder diseñar el ala en el software es necesario poder conocer el ángulo de torsión δopt y la cuerda ʈ de cada sección en que se divida la pala, siendo calculados de la siguiente manera:

• Obtener el polar del ángulo de ataque vs el Cl y el Cd
• Obtener el ángulo de ataque óptimo dado tras obtener la fineza máxima del perfil, donde se encuentra la fineza máxima se encuentra el ángulo óptimo de ataque. La fineza está dada por la siguiente ecuación: [pic 9]
• Calcular el ángulo βopt dado por la siguiente ecuación: [pic 10]
• Calcular la cuerda ʈ para cada sección dada por la ecuación: [pic 11]

• Calcular el ángulo de torsión δopt dado por  [pic 12]

Para obtener la eficiencia de la pala se tuvo que extrapolar una gráfica del Cp de la pala contra la velocidad específica correspondiente a cada sección del perfil que se analizó.

Una vez teniendo el valor de las eficiencias y teniendo el valor de la velocidad específica podemos calcular la potencia del rotor real que estará entregando y que hará funcionar el generador eléctrico. Primero calculando la potencia y las revoluciones por minuto correspondientes a cada Pw y de ahí obtendremos el torque de arranque para la velocidad promedio. Con el valor de Pw y de rpm podemos conocer la curva de potencia en diferentes velocidades.

Habiendo obtenido las curvas de potencia y teniendo los datos de las revoluciones por minuto y la potencia de entrada y salida del generador eléctrico podemos conocer el factor de multiplicación de la caja de velocidades dado por la siguiente ecuación:[pic 13]

Con este valor podemos acoplar la curva de potencia del generador eléctrico con las curvas de potencia del rotor variando el factor de multiplicación para que quede lo más óptimo posible.

Desarrollo

Para hacer el diseño de nuestro rotor lo primero que tuvimos que hacer fue obtener la potencia teórica de nuestro aerogenerador y con esta potencia teórica que obtuvimos obtener el diámetro y conocer la magnitud de nuestro rotor.

[pic 14]

Donde:

ρ = densidad del aire

Cp = coeficiente de potencia

Pw = Potencia teórica

D =  diámetro del rotor

Después de obtener las dimensiones de nuestro rotor, es necesario conocer la velocidad promedio del lugar, en este caso fue de . Teniendo el diámetro en cuenta se calculó la velocidad tangencial de la punta de las palas, de la siguiente manera: [pic 15]

                                                [pic 16]

Donde:

n = No. de R.P.M.

r = largo de la pala

Las r.p.m. que se usaron fueron las obtenidas del primer trabajo de graficas de acoplamiento, conociendo la velocidad tangencial de las palas y la velocidad promedio del lugar podremos conocer la velocidad relativa y con esta misma el número de Reynolds:

[pic 17]

[pic 18]

Donde:

Re = No. de Reynolds

ϻrel = Viscosidad Relativa

Vrel = Velocidad Relativa

Con el número de Reynolds vamos a empezar a trabajar en el software Qblade en el cual vamos a importar los datos del perfil que se asignó en este caso fue el  perfil NREL S816

[pic 19]

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             Para este momento ya tenemos los polares de nuestro perfil y el número de Reynolds, ahora lo que se tiene que hacer es el ajuste de nuestros polares al número de Reynolds que obtuvimos. El numero de Reynolds y los polares son de gran importancia para el análisis que se esta realizando, ya que, con el numero de Reynolds podremos saber la fineza de nuestro perfil, sabiendo que si la edida de circulación del aire alrededor del ala es inferior a este valor critico, el coeficiente de sustentación disminuirá y el de resistencia aumentara, en otras palabras, la fineza

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