Turbina Eolica

Análisis de la aplicación de la teoría del disco poroso en el aerogenerador IT-PE-100

Karina Pacco Ramírez - Cleophatra_Bvza@yahoo.es

1. Resumen

2. Introducción

3. Limitaciones de la teoría del disco poroso

4. Fundamento teórico

5. Ecuaciones del movimiento[3]

6. Potencia generada por el disco

7. Descripción del aerogenerador IT-PE-100

8. Aplicaciones de la teoría del disco poroso en la aerodinámica del rotor

9. Conclusiones

10. Recomendaciones

11. Bibliografía

Resumen

El presente trabajo propone una estrategia de cálculo aeromecánico de aerogeneradores basada en la combinación de la teoría de la cantidad de movimiento donde se han de aplicar las ecuaciones de continuidad, cantidad de movimiento y energía, y la teoría del disco poroso en la cual sustituimos al rotor, que está compuesto por un número infinito de palas que giran, por un disco totalmente poroso del mismo radio del rotor que sustituye. Teorías ampliamente usadas en estudios e investigación de helicópteros y aerogeneradores.

Introducción

Las turbinas eólicas extraen potencia del viento detrayendo cantidad de movimiento de la corriente, por lo tanto resultaría útil conocer cuál es el límite superior de la energía extraíble. Para ello es necesario colocarse en una situación ideal en la cual se realicen los procesos con la máxima perfección. Consecuentemente es necesario eliminar todos aquellos efectos disipativos de la energía, debidos a la viscosidad del aire, que contribuyan a las ineficiencias. Un aerogenerador no es nunca capaz de llegar a capturar el 100% de esta potencia que posee tal viento incidente, de tal manera que la potencia capturada por el rotor de la máquina es significativamente menor. El coeficiente de potencia de un aerogenerador es el rendimiento con el cual funciona el mismo, y expresa qué cantidad de la potencia total que posee el viento incidente es realmente capturada por el rotor de dicho aerogenerador. Por otra parte, hay que hacer notar que el coeficiente de potencia con que funciona un aerogenerador en general no es constante, pues varía en función de las condiciones de funcionamiento de la máquina.

HIPÓTESIS [1]

 Consideramos que un movimiento a Re >>1.

 Sustituimos el rotor, que está compuesto por palas que giran, por un disco totalmente poroso del mismo radio (R) del rotor que sustituye.

 Suponemos que la corriente afectada por el disco está delimitada por un tubo de corriente.

 El movimiento del fluido en el tubo de corriente se considera unidimensional, estacionario e incompresible.

 Se desprecian efectos de rotación de estela y pérdidas en punta de pala.

OBJETIVOS

 Explicar los conceptos básicos de las ecuaciones del movimiento, potencia extraída por el rotor y la teoría del disco poroso enseñándole a aplicar los conocimientos teóricos para que adquiera las competencias correspondientes a la solución de problemas técnicos concretos relacionados con la Teoría del disco poroso.

 Conocer y dar a conocer por medio de la argumentación escrita y ejemplos, las aplicaciones de la teoría del disco poroso (aplicación en helicópteros, hélice de avión y aerogeneradores).

 Establecer una ayuda para los estudiantes universitarios y toda persona interesada en los aerogeneradores y la teoría del disco poroso.

Limitaciones de la teoría del disco poroso

La teoría de la cantidad de movimiento es muy sencilla y proporciona unos valores iniciales globales que permiten el análisis del comportamiento de una turbina eólica. No obstante, la misma sencillez del método es la fuente de sus limitaciones, que se pueden concretar en las siguientes:

 No tiene en cuenta el efecto de la viscosidad del fluido, por lo que no es posible conocer de forma detallada lo que sucede en el proceso que sufre el aire al atravesar el disco del rotor.

 No es posible tener en cuenta el efecto de las palas del rotor, ni en cuanto a su número, ni en cuanto al efecto de su giro.

 Como consecuencia de formar parte del método integral de la Mecánica de Fluidos, se obtienen solamente valores medios de las variables, pero no es posible lograr detalles de lo que sucede localmente en ningún punto del campo fluido.

 No tiene en cuenta fenómenos no estacionarios, tales como los debidos a las rachas de viento, turbulencia, variaciones en la velocidad de rotación de las palas, etc.

 Por sí sola no proporciona valores del par motor en el eje del rotor.

 No permite obtener detalles de lo que sucede como consecuencia de la existencia de una estela rotatoria generada por las palas.

Para reducir éstas limitaciones se recurre a estudiar el comportamiento de un tubo diferencial de corriente admitiendo que la estela posee un movimiento angular de rotación y relacionando dicha velocidad angular con la correspondiente al rotor.

Fundamento teórico

AERODINÁMICA DE AEROTURBINAS

Comprende el mecanismo básico de conversión de energía de las turbinas eólicas. Siendo relevante para el diseño de estrategias de control, no así para entender sus características operativas, límites y posibilidades.

[1]Existen diversas teorías que se aplican en el estudio de la aerodinámica del rotor:

 La aplicación directa de la teoría de la cantidad de movimiento.

 La aplicación de la teoría del elemento de pala.

 La aplicación de la teoría turbillonaria.

De las cuales solo se desarrollará la primera de las teorías aplicadas al estudio de la aerodinámica del rotor. La resolución de los problemas dinámicos y el cálculo de cargas, es posible solo a través de un profundo conocimiento de los procesos aerodinámicos en el rotor.

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