Optimización aerodinámica de las aspas de inducción para incrementar el torque de arranque en una turbina eólica de baja capacidad

Abstract

The methodology to optimize the aerodynamic design of an induction blade for a low capacity wind turbine is presented, modifying its geometric construction parameters to obtain a better performance in the aerodynamic torque that develops in the start-up phase. A low-capacity wind turbine with induction blades generates around 30% extra aerodynamic torque in the start-up phase, but it is believed that by modifying its aerodynamic shape and optimizing its moment of inertia, the improvement in results can reach around 50%. The characteristic three-dimensional shape of an induction blade is the key to generating additional torque as it is designed to increase the contact area with the wind. The optimization process is carried out through the geometric variation of parameters and evaluating the aerodynamic performance through computational fluid dynamics. A different method is used to analyze the air-fluid interaction that allows quantifying the amount of momentum transfer between the air and the turbine body, this technique is called six degrees of freedom (6DOF). This technique independently solves the air-turbine interaction taking into consideration the moments of inertia, mass and materials of the turbine blades, which are not considered with the traditional analysis technique. Two analyzes are proposed: one in a static state to evaluate the instantaneous torque developed by the incidence of the wind and one in a transitory state that allows evaluating the behavior of the torque as there is a variation in the angular velocity. To validate the CFD numerical analysis, printed prototypes are made using additive manufacturing to test them in a wind tunnel and evaluate the similarity of results.

Se presenta la metodología para optimizar el diseño aerodinámico de un aspa de inducción para turbina eólica de baja capacidad modificando sus parámetros geométricos de modelado para incrementar el torque aerodinámico que desarrolla en la fase de arranque. Una turbina eólica de baja capacidad con álabes de inducción genera cerca de un 30% extra de torque aerodinámico en la fase de arranque en relación con un modelo de aspas sencillas, pero se cree que modificando su forma aerodinámica y optimizando su momento de inercia la mejora de resultados puede llegar a cerca del 50%. La forma característica tridimensional de un aspa de inducción es la clave para la generación de un torque adicional ya que está diseñada para aumentar la zona de contacto con el viento. El proceso de optimización se lleva a cabo mediante la variación geométrica de parámetros y evaluando el desempeño aerodinámico mediante dinámica de fluidos computacional. Se utiliza un método diferente para analizar la interacción aire-fluido que permite cuantificar la cantidad de transferencia de momentum existente entre el aire y el cuerpo de la turbina, esta técnica recibe el nombre de seis grados de libertad (6DOF por siglas en inglés). Esta técnica resuelve de manera independiente la interacción del aire-turbina tomando en consideración los momentos de inercia, masa y materiales de los álabes de esta, que con la técnica de análisis tradicional no se consideran. Se proponen dos análisis: uno en estado estático para evaluar el torque instantáneo desarrollado por la incidencia del viento y uno en estado transitorio que permite evaluar el comportamiento del torque a medida que existe una variación en la velocidad angular. Para validar el análisis numérico CFD se realizan prototipos impresos mediante manufactura aditiva para probarlos en un túnel de viento y evaluar la similitud de resultados.