Mathematical optimization of constructive parameters in the behavior of vertical axis wind turbines with straight blades

Optimización matemática de la construcción parámetros en el comportamiento del eje vertical turbinas de viento con cuchillas rectas

Debido a las investigaciones desarrolladas en energía eólica, se ha podido ver la influencia de diferentes características constructivas (ángulo de alineamiento, altura, radio y solidez) sobre el coeficiente de potencia Cp. Este artículo propone un método de optimización, cuyo objetivo es maximizar el Cp integrando todas las características geométricas mencionadas anteriormente. La importancia de este trabajo está basada en el hecho que la mayor parte de los resultados de las acciones de investigación en este campo han sido obtenidos mediante experimentos en túneles de viento, en los cuales cada parámetro es individualmente evaluado. Los modelos computacionales (CFD), se han concentrado en demostrar su validez al comparar sus resultados con los datos obtenidos experimentalmente. Sin embargo, es difícil encontrar un estudio cuyo objetivo sea determinar la influencia de las diferentes características constructivas, estudiando su comportamiento simultáneamente. El procedimiento de cálculo fue basado en la selección de parámetros geométricos para la optimización del modelo. Considerando que Cp es diferente para cada valor de TSR y este es el parámetro a optimizar. La función objetivo fue definida como el área bajo la curva Cp vs TSR. Como punto de partida se tomaron los parámetros citados por diversos autores (relación HR, Solidez S, ángulo de alineamiento γ). Los resultados obtenidos dan evidencia de la influencia del estudio simultaneo en las características constructivas de las cuales el Cp depende permiten alcanzar valores similares de eficiencia a los obtenidos en turbinas eólicas de eje horizontal y además se superan problemas de arranque, los cuales son la principal causa del desinterés de investigación en turbinas de eje vertical.

1. Introducción

En la actualidad, el uso de combustibles fósiles ha dado lugar a problemas ambientales como los gases de efecto invernadero y la lluvia ácida, que están relacionados con los procesos de emisión nocivos obtenidos de la generación de energía tradicional. Como solución alternativa, el interés se ha centrado en la generación de energía renovable. Dentro de estas la generación eólica tiene un gran potencial. Este recurso ha sido explotado durante varios siglos en aplicaciones como la navegación, la molienda de granos y el bombeo de agua; desde mediados del siglo XX se han desarrollado aplicaciones que buscan generar electricidad a partir de este recurso.

El equipo utilizado para este propósito se llama turbinas eólicas y se basa en principios aerodinámicos para su funcionamiento. Las turbinas de palas rectas verticales de funcionamiento basado en el principio de elevación aerodinámica, se conocen como turbinas Darrieus, se consideran de eje vertical debido a que su eje de rotación está situado verticalmente. Se caracterizan por ponerse en marcha con vientos de cualquier dirección sin ser redirigidos. Además, su disposición constructiva permite el montaje de los sistemas de generación y transmisión en el suelo. Sin embargo, son máquinas que tienen un rendimiento menor que un eje horizontal, aunque éste está compensado, para facilitar su funcionamiento a bajas velocidades [13].

Dentro del diseño de las partes constitutivas de una turbina eólica el diseño del rotor juega un papel fundamental en la determinación de la eficiencia del equipo, es por ello que es importante entender la influencia de los parámetros de construcción (ángulo, altura, radio, perfil aerodinámico y fuerza) en el coeficiente de potencia Cp, que es el porcentaje de extracción de energía eólica que puede alcanzar la turbina.