cooperaciÓn valladolid-guanajuato para el desarrollo de un aerogenerador de eje vertical

III Jornadas de Cooperación Universitaria al Desarrollo de Castilla y León

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COOPERACIÓN VALLADOLID-GUANAJUATO PARA EL DESARROLLO

DE UN AEROGENERADOR DE EJE VERTICAL

Mª Teresa Parra SantosArmando Gallegos Muñoz

Nicolás Cristóbal Uzárraga RodríguezJosé Manuel Riesco Ávila

Carmen Victoria Vega Angulo

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Estado de Guanajuato• Gto = “Cerros con forma de ranas”• “Corazón geográfico de México”• Eventos históricos de la Guerra de la Independencia • Históricamente fue el “granero” del país por aportar

los suministros agrícolas.• Destacan la minería y refinerías • Actualmente es importante su industria

automovilística: Volkswagen, Pirelli, General Motors y Toyota

• Buenas comunicaciones• Renta per capita superior a la media del país =>

Mínimas tasas de delincuencia• Preocupación por la sostenibilidad ambiental =>

Fijar la sede del futuro Centro Mexicano de Energías Renovables en el Estado de Gto.

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UGto vs UVa• UGto• Orígenes 1732• Alumnos 33581• Campus Universitarios:– CELAYA - SALVATIERRA – GUANAJUATO – IRAPUATO – SALAMANCA– LEÓN EL BAJÍO

•

• UVa• Orígenes 1292• Alumnos 24964 • Campus:– PALENCIA– SEGOVIA– SORIA– VALLADOLID

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Potencia Instalada por Estados Miembros de la UE

Ref. APPA Asociación de Productores de Energías Renovables (nº18, Enero-Febrero 2005)

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Potencia Instalada por Comunidades Autónomas• Castilla y León fue la Comunidad Autónoma que instaló más

potencia de origen eólico durante 2004Ref. APPA Asociación de Productores de Energías Renovables (nº18, Enero-Febrero 2005)

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Clasificación de los aerogeneradores• Eje horizontal

El eje de rotación es paralelo a la dirección del viento. Históricamente han experimentado mejoras tecnológicas en la actualidad son los más frecuentes– Monopala– Bipala– Tripala– Multipala

• Eje verticalEl rodete gira en un eje perpendicular a la dirección del viento y las palas se mueven en la misma dirección del viento– Darrieus– Rotor H– Savonius

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Curvas Características• Coeficiente de Velocidad:

l = TSR = R w / vw • Coeficiente del Par:

Cm = M / [0.5 r vw2 A R]

• Coeficiente de potencia: CP = P / [(r/2) vw

3 A ]• Relación:

CP = l Cm

• Máximo Coeficiente de potencia: (Teoría de Betz) CP,max = 16/27 = 0.593

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Aerogeneradores de eje VerticalVAWT vertical axis wind turbine• Ventajas

– El generador y el multiplicador se puede situar en el suelo evitando la torre.

– No necesita un mecanismo de orientación según la dirección del viento.

– Diseño simple de fácil construcción.– Operan con bajas velocidades del viento– La baja velocidad de rotación y el bajo

rendimiento hace que sea aplicación doméstica en entornos aislados de la red eléctrica.

• Inconvenientes– El par de arranque puede requerir un

dispositivo de puesta a régimen (generador, savonius, …)

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Clasificación de las instalaciones eólicasPotencia Producción

Micro-eólica 0-1,5 kW hasta 1000 kWh

Mini-eólica 1,5-15 kW hasta 50 000 kWh

Medio-eólica 15-100 kW Hasta 200 000 kWh

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Experiencias previas en la UGto.• Caracterización numérica y experimental de

turbinas Savovius

• Instalación experimental de la UGto.

d

D

HS

Flujo controlado

Ventilador

Motor

Sección de prueba

Rotor

Disco de frenado

Encoderincremental

Celda de carga

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Prototipo de un Rotor Darrieus tipo H• Cuerda c = 5 cm • Envergadura 20 cm • Radio de giro R = 7,2 cm• Perfiles N = 3• Solidez =Nc/2R = 1• Geometría NACA 0012

con torsión -15º ó 30º

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Resolución TransitoriaCampo de presiones en el rotor durante una revolución

TSR = 0,92 (w = 90 rad/s ) en la 7ª vueltas plano z=0

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Comportamiento periódico TSR = 0,75 (w = 73 rad/s) Variación del Coeficiente de potencia durante una vueltaCampo de presiones

• Posición más desfavorable

• Posición más favorable

Tita

Coef. Potencia0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

300

330

-0.1 0 0.1 0.2 0.3

NACA0012_twist-15ºNACA0012_twist0ºNACA0012_twist+30ºMin

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Patrón de Flujo situación más desfavorable TSR = 0,75 (w = 73

rad/s) • Contornos de presiones en el plano z = 0 para la posición más desfavorable esquemas de 1er

orden. a) NACA0012, b)NACA0012 con torsión -15º, c) NACA0012 con torsión +30º

• Distribución de presiones en z = 0 de los perfiles para la posición más desfavorable. Eje de ordenadas Presión (Pa), eje de abcisas posición x (m)

-150

-100

-50

0

50

100

150

-0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03

360º P(z=0) Perfil (naca 0 4mc)

P(z=0) Perfil1 (naca +30 4mc)P(z=0) Perfil1 (naca -15 4mc)

-150

-100

-50

0

50

-0.1 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0

120ºP(z=0) Perfil (naca 0 4mc)P(z=0) Perfil2 (naca +30 4mc)P(z=0) Perfil2 (naca -15 4mc)

-150

-100

-50

0

50

100

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

240º

P(z=0) Perfil (naca 0 4mc)

P(z=0) Perfil3 (naca +30 4mc)

P(z=0) Perfil3 (naca -15 4mc)

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Patrón de Flujo situación más favorable TSR = 0,75 (w = 73 rad/s)

• Contornos de presiones en el plano z = 0 para la posición más favorable esquemas de 1er orden. a) NACA0012, b)NACA0012 con torsión -15º, c) NACA0012 con torsión +30º

• Distribución de presiones en z = 0 de los perfiles para la posición más favorable. Eje de ordenadas Presión (Pa), eje de abcisas posición x (m)

-400

-300

-200

-100

0

100

200

-0.1 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0

60º

P(z=0) Perfil (naca +30 4mc)P(z=0) Perfil (naca 0 4mc)P(z=0) Perfil (naca -15º 4mc)

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

-0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03

180º

P(z=0) Perfil (naca +30 4mc)P(z=0) Perfil (naca 0 4mc)P(z=0) Perfil (naca -15º 4mc) -200

-150

-100

-50

0

50

100

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

300ºP(z=0) Perfil (naca +30 4mc)P(z=0) Perfil (naca 0 4mc)P(z=0) Perfil (naca -15º 4mc)

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Curvas Características• Similares prestaciones de los perfiles sin torsión y con -15º

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

Cm vs TSR

NACA0012twist30

NACA0012twist0

NACA0012twist-15

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TITA

Coef. Potencia0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

300

330

-0.02 0 0.020.040.060.080.1

NACA0012_twist-15ºNACA0012_twist0ºNACA0012_twist+30ºMin

Comportamiento periódico TSR = 0,37 (w = 37 rad/s) Variación del Coeficiente de potencia durante una vuelta

– Mejora de las prestaciones del NACA0012 con torsión -15º para bajas TSR

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TITA

Coef. Potencia0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

300

330

-0.6-0.4-0.2 0 0.2 0.4 0.6

NACA0012_twist-15ºNACA0012_twist0ºNACA0012_twist+30ºMinMax.Betz

Comportamiento periódico TSR = 1,64 (w = 160 rad/s) Variación del Coeficiente de potencia durante una vuelta

– Aún muy lejos del máximo rendimiento de Betz.

– Trabajo futuro:Influencia de la solidez para ampliar el rango de TSR

Ref. S. Tullis, A. Fiedler, K. McLaren and S. Ziada; Medium-solidity vertical axis wind turbine for use in urban environments, Department of Mechanical Engineering, McMaster University, Hamilton, Canada.

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Transferencias• Estancias de Movilidad

– José Manuel Riesco Ávila – Armando Gallego Muñoz– Teresa Parra Santos

• Co-tutela de trabajos– Trabajo Fin de Máster: “Investigación en el desarrollo de nuevos modelos de turbinas

de viento de eje vertical”. • Alumna: Carmen Vega Angulo (Erasmus-Mundus)• Codirectores: Armando Gallego Muñoz y Teresa Parra Santos

– Tesis Doctoral: “Trabajo Fin de Máster: “Investigación en el desarrollo de nuevos modelos de turbinas de viento de eje vertical”. • Alumno: Nicolás Cristóbal Uzárraga Rodríguez• Codirectores: Armando Gallego Muñoz y Teresa Parra Santos

• Trabajos Futuros– Elaboración de una Acción Preparatoria para la convocatoria de Proyectos de

Cooperación Internacional– Artículo en la publicación Energy

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GRACIAS