Diseño y simulación de un prototipo de aerogenerador de eje vertical para entornos urbanos

Abstract

RESUMEN: La finalidad de este proyecto es diseñar un aerogenerador de eje vertical, centrándose, principalmente, en el estudio del comportamiento del flujo de aire sobre el rotor, mediante la simulación en ANSYS FLUENT, con el propósito de definir la potencia que es capaz de generar en unas condiciones típicas de entornos urbanos, como pueden ser, vientos de baja velocidad y turbulentos. El primer paso es estudiar el potencial eólico en el lugar donde va a situarse el aerogenerador, a partir de datos meteorológicos se obtienen los parámetros necesarios durante la simulación. Suponiendo que el comportamiento del flujo sobre el rotor es igual para toda su longitud, se ha realizado la simulación en dos dimensiones. Comparando los diferentes modelos de turbulencia, se ha optado por utilizar el modelo SST k − ω, debido a su precisión y polivalencia para representar el comportamiento de la turbulencia en diferentes situaciones. Para finalizar con el apartado de la simulación, se ha utilizado el método de malla dinámica (Dynamic Mesh), para tener en cuenta el movimiento del rotor durante el funcionamiento. Se han seleccionado los componentes del aerogenerador, utilizando como máquina generadora un sistema poco común para este tipo de aplicaciones, y se ha medido la potencia eléctrica que es capaz de producir. Por último, se calcula el coste de fabricación para estimar el potencial de ahorro y el periodo de amortización. El rotor del prototipo diseñado tiene unas dimensiones de 1,5 metros de diámetro y 3 metros de altura, siendo capaz de generar una potencia nominal de 3 kW para una velocidad de viento de 15 m/s. Teniendo en cuenta los costes, el periodo de amortización se sitúa en 19 años. Comparando las características del prototipo diseñado con modelos comerciales similares, se observa que, aunque los resultados sean algo inferiores a lo esperado no distan demasiado de dichos modelos y por lo tanto la solución propuesta es razonable. Por último, se compara el ahorro generado para tres supuestos de instalación, con el fin de determinar la situación más favorable.

ABSTRACT: The purpose of this project is to design a vertical-axis wind-turbine, focusing mainly on the study of the behavior of the air flowing over the rotor, in order to define the power that it is capable of generate in some typical conditions of urban areas, such as low speed and turbulent flows. It has been simulated in ANSYS FLUENT. Firstly, it has benn estudied the wind potential where the wind-turbine will be located, the required parameters during the simulation were obtained from meteorological data. Assuming that the behavior of the flow over the rotor is the same for its entire length, the simulation has been carried out in two dimensions. Comparing the different turbulence models, it has been chosen to use the SST k – ω model, due to its precision and versatility to represent the behavior of turbulence in different situations. To finish with the simulation section, the dynamic mesh method has been used to consider the movement of the rotor during operation. The components of the wind-turbine have been selected, using an unusual system as a generating machine for this kind of application. Furthermore, the electrical power produced has been measured. Finally, the cost of manufacturing was calculated to estimate the savings potential and the payback period. The designed prototype rotor has dimensions of 1.5 meters in diameter and 3 meters in height, being able to generate a nominal power of 3 kW for a wind speed of 15 m / s. Taking the costs into account, the amortization period is 19 years. Comparing the features of the designed prototype with similar commercial models, it has been observed that, despite the fact that the results are somewhat lower than expected, they are not too far from those models and therefore the proposed solution is reasonable. Finally, the savings generated for three installation scenarios are compared in order to determine the most appropriate and realistic setting.