Ítem
Acceso Abierto
Diseño y construcción de un prototipo de álabe para un generador horizontal de baja potencia con aplicación en zonas no interconectadas de Colombia
Título de la revista
Autores
Olaya Jiménez, David Felipe
Rueda Orrego, Oscar Orlando
Archivos
Fecha
2023-09-07
Directores
Pérez Gordillo, Andrés Mauricio
ISSN de la revista
Título del volumen
Editor
Universidad del Rosario
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Resumen
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.
Abstract
This document focuses on the design and construction of a prototype blade for low-power wind turbines, as blades play a crucial role in the efficiency and performance of wind turbines. The main objective of this study is to analyze various aerodynamic profiles and optimize the blade design to maximize energy extraction by improving the lift-to-drag ratio. One of the challenges addressed in this study is the problem of boundary layer separation that affects low-power horizontal-axis wind turbines available in the market. Through the analysis of aerodynamic performance coefficients and modeling in specialized software, an optimal blade profile was developed that minimizes separation issues and maximizes power generation. This study aims to contribute to the advancement of wind technology in non-interconnected areas of Colombia, where the lack of coverage by the conventional electrical grid has driven the search for autonomous and sustainable energy solutions. The implementation of low-power wind turbines with optimized blades could offer a viable alternative to meet the energy needs of these communities. In this research work, a comprehensive review of relevant literature references was conducted, and performance criteria were established for the selection of airfoil profiles. Profiles such as Wortmann FX60-126, SG6043, SG6042, NACA 4415, NACA 0018, AF300, NACA 4412, and CLARK Y were identified, demonstrating outstanding performance in terms of aerodynamic efficiency, lift generation, and low drag. These profiles were modeled in XFOIL/XFLR5 software, where different parameters such as Reynolds number, angle of attack, number of profile panels, meshing, and extrusion were evaluated. The obtained results allowed for the selection of two optimal profiles (SG6043 20% / GOE300 80%) and the creation of a mixed profile named UR001 using the "Interpolate Foils" module. This new profile was further optimized using the "XFOIL Inverse Design" module. For the new UR001 airfoil profile, the lift coefficient Cl becomes positive for a negative angle of attack α of -3° and increases linearly with a constant slope up to α = 7°, reaching Cl = 1.4 (Cl increases by 0.14 for each degree increase in the angle of attack). Then, this slope decreases in the range of α between 7° and 15° and eventually decreases (Cl increases from 1.4 to 1.6 in 8°, with an increase of 0.025 per degree). This profile is determined as optimal for the construction of the low-power wind turbine prototype, and it is 3D printed. Based on the results obtained with the airfoil profiles, (angle of attack = 7°, Cl/Cd = 56.293, Clmax = 1.6253), the power coefficient Cpot was calculated for a 3-blade type wind turbine, with tip speed ratio λ = 3, rotor radius R = 1 meter, assuming an average wind speed = 5 m/s. For these conditions, Cpot = 0.533 was obtained, which gives us a nominal power of 125W. This covers 50% of the energy requirements for an average ZNI home, defined as 208W. The blades were designed with a length of 1 meter, divided into 18 sections with chord sizes that vary between 22 and 38 cm, and torsion angles, between 12.3° and 43.8°. Finally, a simulation in SolidWorks CFD is performed to study the profile's behavior when exposed to wind (5 m/s). A comparison with the data obtained in XFLR5 shows a high similarity, allowing us to infer that the initially obtained results in XFLR5 are consistent with the modeled behavior.
Palabras 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
Keywords
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
