Publicación: Diseño de Concepto de un Aerogenerador Vertical Tipo H
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Resumen en español
La energía limpia del viento es una fracción de la energía solar, obedece al calentamiento no uniforme del aire de la atmósfera e históricamente ha sido aprovechada mediante configuraciones de velas en navegación, molinos para bombeo de agua y molienda de cereales, y recientemente en aerogeneradores para producir energía eléctrica. Por falta de desarrollo y consolidación de la tecnología de aerogeneradores y por costos por potencia y energía que han resultado mayores que los correspondientes a otras fuentes no se ha incorporado masivamente al sistema eléctrico. Un aerogenerador económico y robusto es el Darrieus, de eje vertical y alerones rectos conocido como Tipo H, para bajas velocidades de viento, no requiere sistema de orientación, sin arranque autónomo por lo cual necesita un sistema paralelo de arranque. Dando respuesta a la necesidad de soluciones para abastecer áreas aisladas, acelerar el uso de la energía limpia del viento en áreas interconectadas y por la importancia del estudio de aerogeneradores en la línea de investigación de la Escuela de Ingeniería de Antioquia, se realiza como proyecto de grado el “Diseño de Concepto de un Aerogenerador Vertical Tipo H” para condiciones de viento con potencial energético. El producto del diseño es un aerogenerador vertical de tres alerones distribuidos en cascada con perfil aerodinámico S1046, de 2.4 m de largo, 0.1 m de cuerda y 1.2 m de radio de giro, fabricados en aluminio comercial 6061 con refuerzos de armazón y peso de 1.5 kg por alerón, ubicados a 10 m de altura. El aerogenerador produce 80 W con vientos de 4 m/s y 600 W con vientos de 8 m/s con un generador eléctrico de velocidad variable, 24 pares de polos de imanes permanentes y velocidades de giro entre 30 rpm y 600 rpm alcanzando esfuerzos mecánicos para los alerones hasta de 2600 N sin riesgo estructural. El desarrollo tuvo como pilares fundamentales el diseño de concepto, las tecnologías aerodinámicas para el aprovechamiento de la energía del viento, la identificación de especificaciones y parámetros, la caracterización de la condiciones del viento en un lugar con registros históricos, la simulación de condiciones operativas, el diseño asistido por computador para los bocetos y la simulación de esfuerzos por análisis de elementos finitos para asegurar que el aerogenerador operará para las condiciones para las que fue diseñado sin fallas estructurales. Con ello se da cumplimiento a los objetivos general y específicos del proyecto de realizar el diseño y evaluar integralmente su desempeño. Un resultado establecido con el análisis de los registros históricos indica que la EIA Sede Las Palmas no posee vientos de superficie con potencial energético. Por lo tanto, la construcción e instalación de prototipos como el diseñado requieren buscar condiciones de viento a mayor altura o en otros lugares en la sede.
Resumen en inglés
Abstract: Wind energy is a part of solar energy due to unequal air heating. It was used in the past for sailing, cereal milling, water pumping, and recently for electric energy generation Owing to the lack of fully development and considered as a not properly consolidated technology, wind energy has not massively been incorporated to electrical systems. Besides, its cost is greater than that of energy coming from hydro and thermal sources. Aeronautical industries have contributed to development achieving reliability and low cost. Darrieus vertical axis aero generator is robust, simple and economic. It exhibits straight blades getting a Type H structure. It is widely used for not strong winds, it does not require wind direction changer but it cannot self-start so parallel starting system should be added. Responding to the need of electrical coverage to isolated areas, to the challenge of diversifying clean electrical energy sources and following EIA´s fields of research, this undergrad project is accomplished. It covers the “Concept Design of a Vertical, Type H, aero generator” for places of wind speed high potential. The product designed is a vertical axis aero generator with three cascaded blades, airfoil S1046, 2.4 m long, 0.1 chord and 1.2 m rotational radius, aluminum 6061 made, with internal frame reinforced, 1.5 kg weight and placed at a height of 10 m above surface level. The aero generator output is 80 W at 4 m/s wind speed and 600 W at 8 m/s wind speed by means of a variable speed electrical generator, 24 magnet pole pairs and rotational speed ranging from 30 rpm to 600 rpm. Blades are subjected to deflection forces up to 2600 N without any structural risk of failure. Main project cornerstones were concept design, aerodynamic technologies for wind energy exploitation, specification and parameter identification, wind speed historic record analysis, operating condition analysis, computer aided design for sketching and finite element analysis for material strength behavior simulation. This work fully covered aero generator design and performance prediction, as they were the goals established in advance. A leading “wind speed historic record analysis” finding states that “Las Palmas” EIA´s site has no potential for wind energy exploitation at surface level. Therefore, aero generators should be placed higher than 10 meter high.