Diseño y construcción de un prototipo de álabe para un generador horizontal de baja potencia con aplicación en zonas no interconectadas de Colombia

Este documento se centra en el diseño y construcción de un prototipo de álabe para aerogeneradores de baja potencia, ya que los álabes desempeñan un papel fundamental en la eficiencia y rendimiento de las turbinas eólicas. Uno de los desafíos abordados en este estudio es el problema de desprendimiento en la capa límite que afecta a los aerogeneradores de eje horizontal de baja potencia disponibles en el mercado. Mediante el análisis de los coeficientes de desempeño aerodinámico y el modelamiento en software especializado, se logró desarrollar un perfil aerodinámico optimizado de álabe que minimiza los problemas de desprendimiento y maximiza la generación de energía. El presente estudio busca contribuir al avance de la tecnología eólica en zonas no interconectadas de Colombia, donde la falta de cobertura de la red eléctrica convencional ha impulsado la búsqueda de soluciones energéticas autónomas y sostenibles. La implementación de aerogeneradores de baja potencia con álabes optimizados podría ofrecer una alternativa viable para satisfacer las necesidades energéticas de estas comunidades. En este trabajo de investigación, se realizó una revisión exhaustiva de referencias bibliográficas relevantes y se establecieron criterios de desempeño para la selección de los perfiles alares. Se identificaron perfiles como el Wortmann FX60-126, SG6043, SG6042, NACA 4415, NACA 0018, AF300, NACA 4412 y CLARK Y, los cuales demostraron un rendimiento destacado en términos de eficiencia aerodinámica, generación de sustentación y bajo arrastre. Estos perfiles fueron modelados en el software XFOIL/XFLR5, donde se evaluaron diferentes parámetros como el número de Reynolds, ángulo de ataque, número de paneles del perfil, enmallado y extrusión. Los resultados obtenidos permitieron seleccionar dos perfiles aerodinámicos optimizados (SG6043 20% / GOE300 80%), y crear a partir de ellos el perfil mixto denominado UR001 usando el módulo “Interpolate Foils”, Este nuevo perfil fue optimizado con el módulo “XFOIL Inverse Design”. Para el nuevo perfil alar UR001 el coeficiente de sustentación Cl se vuelve positivo para un ángulo de ataque α negativo de -3°, y aumenta con pendiente constante hasta un α = 7°, Cl=1,4 (Cl aumenta en 0,14, por cada grado de aumento en el ángulo de ataque). Luego ésta pendiente baja en el rango de α entre 7° y 15° para luego disminuir (Cl aumenta desde 1,4 a 1,6 en 8°, aumento de 0.025 por grado). Este perfil, se determina como optimizado para la construcción del prototipo de turbina eólica de baja potencia, y se realiza su impresión en impresora 3D. A partir de los resultados obtenidos con los perfiles alares, (ángulo de ataque fijo de 7°, Cl/Cd = 56,293, Clmax = 1,6253), se calculó el coeficiente de potencia Cpot para un aerogenerador tipo de 3 álabes, con tip speed ratio \lambda de 3, radio de rotor R de 1 metro, asumiendo una velocidad promedio de viento de 5 m/s. Para estas condiciones, se obtuvo Cpot = 0,533, lo que nos da una potencia nominal de 125W, lo cual cubre el 50% de las necesidades de un hogar promedio ZNI, definidas en 208W. Los álabes se diseñaron con una longitud de 1 metro, divididos en 18 secciones con tamaños de cuerda que varían entre los 22 y 38 cms, y ángulos de torsión, entre los 12,3° y 43,8°. Finalmente se realiza una Simulación en SolidWorks CFD para estudiar el comportamiento del perfil en su exposición al viento (5 m/s). Se realiza una comparación con los datos obtenidos en XFLR5, teniendo una similitud alta, lo cual nos permite inferir que los resultados obtenidos inicialmente en XFLR5 son acordes a lo modelado.

• Fecha de publicación: 2023
• Institución: Universidad del Rosario
• Repositorio: Repositorio EdocUR - U. Rosario
• Idioma: spa
• OAI Identifier: oai:repository.urosario.edu.co:10336/40971
• Acceso en línea: https://doi.org/10.48713/10336_40971; https://repository.urosario.edu.co/handle/10336/40971
• Palabra clave: Álabe; Ángulo de ataque; Ángulo de viento relativo; Ángulo de torsión; Relación de velocidad de punta; Tamaño de cuerda; ZNI; Aerogenerador horizontal; XFoil; SolidWorks; XFLR5; Cl; Coeficiente de sustentación; Cl; Coeficiente de arrastre; Cl/Cd; SG6043; GOE300; UR001; Coeficiente de potencia Cp; Blade; Angle of attack; Relative wind angle; Twist angle; Tip speed ratio; Chord length; Horizontal Axis Wind Turbine; HAWT; Unconnected regions; XFoil; SolidWorks; XFLR5; Cl; Lift Coefficient; Drag Coefficient; Cl/Cd; SG6043; GOE300; UR001; Power Coefficient Cp
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