Diseño y simulación de un concentrador de flujo para aumentar la potencia eólica disponible en un aerogenerador de baja potencia

Design and simulation of a flow concentrator to increase the wind power available in a low power wind turbine

El desaprovechamiento del recurso eólico en los países emergentes no es solo por la falta de la implementación de parques de aerogeneradores de gran escala, sino porque, en la mayoría de los territorios las velocidades promedio del viento no alcanzan a contar con la magnitud mínima (3 a 4 m/s) de arranque de los aerogeneradores comerciales, lo cual hace que este recurso no sea aprovechado. Por lo anterior, en el presente artículo se describe el diseño y caracterización de un elemento mecánico (concentrador eólico) que permite aumentar la potencia eólica disponible en un aerogenerador de baja potencia. El estudio está fraccionado en tres etapas: en la primera etapa se realiza un análisis experimental con el fin de validar e identificar el perfil de velocidades circundantes en el concentrador. En la segunda etapa se realiza un modelado mediante la ecuación de 5to. orden de Bell & Mehta, implementando Matlab y exportando los datos a Solid Edge. Además, se describe el fenómeno mediante la ecuación de conservación de masa y conservación de energía. En la tercera etapa se realiza la simulación mediante elementos finitos soportado por el software ANSYS, la cual tiene como objetivo determinar la relación de área óptima de entrada y salida del concentrador. Finalmente, se concluye que el concentrador tiene un aporte significativo en el aumento del potencial eólico disponible del orden 2.37 veces.

1. INTRODUCCIÓN

En el informe presentado por la ex primera ministra de noruega Gro Harlem Brundtland ante la ONU se nombra por primera vez el término desarrollo sostenible, el cual se define como: "la satisfacción de las necesidades de la generación presente sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras para satisfacer sus propias necesidades" (ONU, 1987). De igual forma, según las Naciones Unidas, el cambio climático supone efectos adversos, referidos a cambios en el medio ambiente físico o en la biota con consecuencias nocivas significativas en la composición, la capacidad de recuperación o la productividad de los ecosistemas naturales o sujetos a ordenación, o en el funcionamiento de los sistemas socioeconómicos, o en la salud y el bienestar humano (Pinto y Salazar, 2014). Por consiguiente, uno de los objetivos mundiales en pro del desarrollo sostenible es "Garantizar el acceso a una energía asequible, fiable, sostenible y moderna para todos" (PNUD, 2015), por lo tanto, los países en vía de desarrollo tienen un mayor compromiso para lograr esta meta. Paralelamente, el Congreso Colombiano decretó mediante la ley 1715 del 2014 "promover el desarrollo y la utilización de las fuentes no convencionales de energía, principalmente aquellas de carácter renovable" (COLOMBIA, 2014). Por todo lo anterior, es importante desarrollar tecnología que mejore los sistemas de generación y transformación de energía renovable.