aerogenerador Hawt_FINAL

Lassig, Sosa, Jara y Ceballos – Desarrollo y Construcción de un Aerogenerador Hawt de 1kW Potencia Nominal
DESARROLLO Y CONSTRUCCIÓN DE UN AEROGENARADOR
HAWT DE 1kW DE POTENCIA NOMINAL
a
J. Lassiga, J. Valle Sosaa, U. Jara a y Saúl Ceballosa
Departamento de Mecánica Aplicada - Universidad Nacional del Comahue
Bs.As. 1400 – (8300) Neuquén - Argentina
Email: [email protected]
RESUMEN
Se diseñó y construyó un pequeño aerogenerador de eje horizontal de una potencia nominal del orden
de 1kW, con un sistema de control de potencia por entrada en pérdida aerodinámica.
Se utilizó un perfil de bajos números de Reynolds diseñado para turbinas eólicas. Se emplearon los
programas de cálculos PROPID para la parte aerodinámica, y SolidWorks para los cálculos
estructurales.
Las palas fueron construidas en materiales compuestos, y se realizaron ensayos estáticos y dinámicos
en las pala.
Palabras clave: Aerogenerador, control Stall, perfil de bajos Reynolds, materiales compuestos.
INTRODUCCIÓN
En Patagonia los vientos se caracterizan por su gran intensidad y turbulencia, no solo en la variación
de la intensidad de velocidad sino también en los bruscos cambios de dirección [1]. Los sistemas de
control para pequeños aerogeneradores: como el cambio de paso centrífugo, el plegado vertical y
horizontal del rotor, sacrifican eficiencia aerodinámica por robustez mecánica, obteniendo así
coeficientes de potencia por debajo de 0.28 [2].
Un control de potencia en base a entrada en pérdida aerodinámica, logra un rotor muy sencillo, sin
piezas móviles, y puede ser diseñado a CP cercanos a 0,40.
En el presente trabajo se exponen el diseño y construcción de un pequeño aerogenerador de eje
horizontal, tripala rectangular, con un perfil de la serie-S de los laboratorios National Renewable
Energy Laboratory (NREL) diseñado para trabajar en pérdida aerodinámica [3].
DISEÑO AERODINÁMICO
El diseño aerodinámico se realizó con el programa PROPID versión 1.0 de la Universidad de Illinois
USA [4]. Este es un programa informático para el diseño y análisis de turbinas eólicas de eje
horizontal. PROPID utiliza el método de análisis estándar de la industria incorporado en el código
PROPSH del elemento de pala/cantidad de movimiento (Tangler) [5], que en sí es una versión
modificada del código PROP (Hibbs y Radkey / Wilson y Walker) [6] y [7]. El nombre PROPID se
pronuncia "Prop-ID" y deriva de "PROP" junto con "ID" para sus capacidades de diseño inverso. Esto
último es una fortaleza clave del método en su capacidad de diseño inverso. Por ejemplo, el método
permite al diseñador especificar directamente la potencia de pico para una turbina eólica regulada por
stall. En particular para este trabajo no hemos utilizado esta virtud del software.
Otras características interesantes del código son que permite un análisis rápido, tiene capacidad para
diferentes datos de la superficie de sustentación para cada elemento de pala, e incluye un método
sintetizado de las performances de perfiles aerodinámico 3D post-pérdida para una mejor predicción
de la potencia máxima obtenible a la máxima velocidad del viento. Cabe señalar que PROPID es un
código de diseño aerodinámico para especialistas, es decir, se requiere un cierto nivel de experiencia
en la aerodinámica para hacer un uso eficiente del código.
Se utilizó un perfil S813 debido a sus buenas performances para la entrada en pérdida aerodinámica,
cuyas características se indica en los siguientes tres figuras:
1
Lassig, Sosa, Jara y Ceballos – Desarrollo y Construcción de un Aerogenerador Hawt de 1kW Potencia Nominal
Figura 1: Geometría del perfil S813
1.2
1
0.8
S813
Cl - Cd
0.6
0.4
0.2
0
-5
0
5
10
15
20
25
30
-0.2
Alfa (°)
Cl
Cd
Figura 2: Curva del coeficiente de sustentación (CL) y arrastre (Cd) en función del ángulo de ataque (α) para un
Reynolds de 106, del perfil S813.
1.2
1
0.8
Cl
0.6
0.4
0.2
0
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
-0.2
Cd
S813
Figura 3: Relación sustentación – arrastre del perfil S813.
El diseño debía de ser simple y de fácil construcción, en base a estas dos premisas se determinó como
control de potencia un sistema basado en la pérdida aerodinámica del perfil (Stall) logrando que el
rotor sea fijo y sin movimientos, evitando que el conjunto sea más pesado y complejo.
Para una construcción sencilla, se determinó que las palas fueran sin torsión y de cuerda constante
(pala rectangular).
El diseño se desarrolló dentro de la norma IEC-61400-3 clase III, que prevé una velocidad media de
7,5 m/s, velocidad de referencia de 37,5 m/s con una intensidad de turbulencia de 0,17. La velocidad
nominal se determinó en 7,6 m/s.
Las principales Características del Rotor fueron:
- De tres aspas rectangulares de 1,60 m de envergadura y 0,16 m de cuerda.
- Sin torsión y de cuerda constante (pala rectangular).
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Lassig, Sosa, Jara y Ceballos – Desarrollo y Construcción de un Aerogenerador Hawt de 1kW Potencia Nominal
- Solidez 0,095.
- Perfil S813
- Sistema de regulación por entrada en pérdida aerodinámica (Stall).
- Velocidad de rotación 208 RPM.
Se corrió el programa para distintos ángulos de paso de la pala, obtuviéndose la curva de potencia en
función del la intensidad del viento (figura 4) y la variación del coeficiente de potencia (figura 5) para
el rotor de 3,2 m de diámetro.
Rotor de 3,2m de Diámetro
2000
Pot (W)
1500
1000
500
0
0
5
10
15
20
25
V (m/s)
8°
2°
0°
6°
Figura 4: Curvas de potencia para varios pasos.
Rotor de 3,2m de Diámetro
0.6
0.5
Cp
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
5
10
15
20
25
V (m/s)
8°
2°
0°
6°
Figura 5: Variación del Coeficiente de Potencia Cp en función de la intensidad del viento, para varios pasos de
pala.
Se puede observar en la figura 4 que a medida que se aumenta el paso, el rotor extrae más potencia a
altas velocidades, pero la dificultad está en la potencia del generador eléctrico a seleccionar, pues si
tomáramos uno de 1kW solo nos serviría para pasos de 0º y 2º. En la misma figura se observa que para
un paso de 6º la regulación por stall mantiene prácticamente constante la potencia en 1,5 kW, si bien el
Cp máximo se logra a bajas velocidades del viento.
Se adopta el paso de 6º, quedando entonces un generador eléctrico de 1,5 kW, obteniendo para la
velocidad de 7,5 m/s una potencia de 820 Watts, y alcanzando una regulación de 1.500 Watts a partir
de los 12 m/s.
3
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La figura 6 muestra la variación del Cp en función de la velocidad específica, obteniendo el mayor
coeficiente de potencia 0,42 a λ=6,5, y para la velocidad del viento de 7,5 m/s le corresponde un λ=5,2
logrando un Cp de 0,40 a una potencia de 1.200 Watts.
Rotor de 3,2m
0.5
Cp
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
2
4
6
8
10
12
Vt/V0
6°
0°
Figura 6: Variación del Cp con la velocidad específica para dos pasos de la pala sin torsión.
Las figuras 7 y 8 muestran respectivamente la distribución del ángulo de ataque y la relación Cl/Cd a
lo largo de la pala en las condiciones de funcionamiento nominal.
Angulo Ataque (°)
Pala de 1,6m
60
50
40
30
20
10
0
-10 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
r/R
6°
0°
Figura 7: Variación del ángulo de ataque sobre la envergadura de la pala.
Cl / Cd
Pala de 1,6m
140
120
100
80
60
40
20
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
r/R
6°
0°
Figura 8: Relación Cl/Cd sobre la envergadura de la pala.
4
Lassig, Sosa, Jara y Ceballos – Desarrollo y Construcción de un Aerogenerador Hawt de 1kW Potencia Nominal
Empuje Rotor 3,2 m
Empuje (Kg)
120
100
80
60
40
20
0
0
10
20
30
40
50
Viento (m/s)
6°
Figura 9: Empuje sobre el rotor en función de la velocidad del viento para el ángulo de paso de diseño.
DEFORMACIÓN DE LA PALA
Se lo construyó en fibra de vidrio con resina epoxi, desde un molde construido a tal fin. Se laminaron
siete capas constituida tres con roving de 220 gr/m2 y cuatro con tela de 100 gr/m2, obteniéndose un
espesor de 3 mm.
Se verificaron las cargas estructurales en cada pala por medio de un programa de elementos finitos de
uso comercial [8].
Figura 10: A la izquierda la distribución de tensiones, y a la derecha la deformación de la pala para la condición
de funcionamiento nominal.
Como la construcción de las palas fueron realizadas en forma artesanal, las mismas diferían en un 5%
en peso, para lo cual se las compenso con pesos adicionales para evitar cargas por desbalance de
masas.
Se realizó para cada pala un ensayo estático de cargas, obteniendo un desplazamiento promedio en
punta de pala de tan sólo 40 mm para la condición de funcionamiento nominal y de 135 mm para la
condición de viento extremo.
De igual forma se procedió para realizar el test de Hammer en cada pala, y así determinar la frecuencia
de resonancia promedio de las mismas, mediante un acelerómetro piezoeléctrico conectado a un
equipo de análisis de vibraciones DSP Logger MX300, dando el principal pico a una frecuencia
cercana a los 7 Hz.
Las dos principales fuentes de forzantes aerodinámicas sobre las palas en funcionamiento son la
velocidad de giro que es de 208 rpm, obteniéndose 3,46Hz, y la pasada de cada pala por delante de la
torre la cual modifica transitoriamente el flujo sobre el extra dos del perfil, y para el caso se da a los
1,15 Hz, por lo que estas dos principales fuentes vibraciones inducidas están por debajo de la
frecuencia natural de cada pala.
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Lassig, Sosa, Jara y Ceballos – Desarrollo y Construcción de un Aerogenerador Hawt de 1kW Potencia Nominal
Figura 11: Vista de la pala dispuesta para los ensayos de carga estática y
dinámica.
CONCLUSIONES
El diseño de control por pérdida aerodinámica (Stall) en pequeños aerogeneradores es posible y resulta
en un rotor mucho más sencillo de otros que se controlan por medios mecánicos.
Los perfiles de la serie S de los Laboratorios NREL, como otros que han sido diseñados para que sean
eficientes a bajos números de Reynolds, son muy aptos para las palas de turbinas eólicas.
El prototipo ya construido, será ensayado en el Laboratorio de medición de desempeño de
aerogeneradores de baja potencia INTI de Cutral-Có.
REFERENCIAS
1. J. Lassig et all: Wind Characteristics in Neuquén, North Patagonia, Argentina; Journal of Wind
Engineering and Industrial Aerodynamics, 1998, Vol 79, pp 183-199.
2. http://www.inti.gob.ar/neuquen/index.php?seccion=aerogeneradores (27/05/2014).
3. D.M. Somers: Effect of Flap Deflection on Section Characteristics of S813 Airfoil; Period of
Performance: 1993--1994. 89 pp.; (2005), NREL Report No. SR-500-36335.
4. M.S. Selig: PROPID 34 Aerodynamic Design Software for Horizontal Axis Wind Turbines;
Department of Aeronautical and Astronautical Engineering; University of Illinois at UrbanaChampaign, 1999. http://www.aae.uiuc.edu/m-selig/propid/
5. Tangler, J. L., "Assessment of Blade-Element/Momentum Analysis for Horizontal-Axis Wind
Turbines," Sixth Biennial Wind Workshop. Minneapolis, Minnesota, June 1 983.
6. Hibbs, B .. and Radkey. R. L., 1983, "Calculating Rotor Performance with the Revised 'PROP'
Computer Code," Horizon!ai-Axis Wind System Rotor Performance Model Comparison-A
Compendium, Wind Energy Research Center, Rockwell International, Rocky Flats Plant.
Golden, CO, RFP-3508, UC-60.
7. Wilson, R. E., and Walker, S. N., 1974, " "A FORTRAN Program for the Determination of
Performance, Load and Stability Derivatives of Windmills," Department of Mechanical
Engineering, Oregon State University, Corvallis, Oregon.
8. SolidWorks Corp, ©2011 Dassault Systèmes.
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