Optimización del torque de arranque de una turbina eólica de eje horizontal de baja capacidad

Abstract

In this thesis, we propose a new blade design to optimizes the starting aerodynamic torque of low-capacity horizontal axis wind turbines (HAWT), which optimizes the torque generated during the start-up phase. The restlessness of the new design arises from previous experience in the study of the difficulties experienced by the turbines to start working. The blades are responsible for generating the starting torque aerodynamic and is in this element where the greatest design e?orts will be focused. It is based on a 50 W reference design, based on the BEM theory. This design is manufactured by 3D printing on PLA material and tested with wind tunnel. The torque generated by the incidence of air on it is measured. These results serve as reference to know if the design that is going to be proposed exceeds the performance of torque in the starting phase. ANSYS design software and FLUENT fluid motion modeling are used to obtain the best possible proposal. The design proposal achieved, is printed and tested in the wind tunnel to validate the study and compare it with the reference design. As a result of the process it is demonstrated that it is possible to achieve a reliable design based on optimizations with software, since the performance in the wind tunnel of the new proposal, has very good agreement with the results obtained in the design process. The overall result is a rotor design formed by double-rooted blades that generate a greater starting aerodynamic torque.

Se presenta la metodología para obtener un diseño aerodinámico de aspa de turbina eólica de baja capacidad (HAWT), que optimice el torque generado durante la fase de arranque. La inquietud del nuevo diseño surge de experiencia previa en el estudio de las dificultades que experimentan las turbinas para comenzar a funcionar. Las aspas son las encargadas de generar el torque aerodinámico de arranque y es en este elemento donde se centrarán los mayores esfuerzos de diseño. Se parte de un diseño de referencia de 50 W, basado en la teoría BEM. Este diseño se manufactura mediante impresión 3D en material PLA y se ensaya con corrientes de viento de un túnel. Se miden el torque generado por la incidencia de aire sobre este. Estos resultados sirven de referencia para conocer si el diseño que se va a proponer supera las prestaciones de torque en la fase de arranque. Software de diseño de ANSYS y modelado de movimiento de fluidos de FLUENT, son usados para obtener la mejor propuesta. La propuesta de diseño lograda, se imprime y ensaya en el túnel de viento para validar el estudio realizado y compararlo con el diseño de referencia. Como resultado del proceso se demuestra que es posible lograr un diseño confiable basándose en optimizaciones con software, ya que el desempeño en el túnel de viento de la nueva propuesta, tiene muy buena concordancia con los resultados obtenidos en el proceso de diseño. El resultado global es un diseño de rotor formado por aspas de doble raíz que generan un mayor torque aerodinámico de arranque.