Principio de Diseño del Rotor para Aerogeneradores de Eje Horizontal
INTRODUCCIÓN
Los humanos utilizaron el fuego como la primera clase de energía, excepto la comida. Los humanos vivían sólo con la comida hasta el uso del fuego. Además, los humanos se separaron con el uso del fuego de los otros vivos. Después se utilizaba la madera para que el fuego ardiera y no se extinguiera. Tenían que dividir el trabajo con la vida social. Por lo tanto los seres humanos utilizaron una nueva clase de energía. El nuevo tipo de energía era otro humano. Debido a la vida nómada tenían que moverse de un lugar a otro. El resultado de la vida nómada fue el uso de animales para el transporte. Otro tipo de energía utilizada por los humanos es la energía del agua. Esta ha sido utilizada con el fin de la vida nómada por los humanos. Y los seres humanos han utilizado el viento para los barcos de vela y en el siglo 12 (D.C.) con el molino de viento. Después del 16. Después del siglo XVI se incrementó el consumo de energía debido a la producción de carbón. El petróleo se utilizó en el siglo XIX. Las edades de la industria comenzaron con el petróleo y el municipio humano grande afectado. Después los seres humanos descubrieron la energía nuclear (Inan, 1995).
A finales del siglo XX comenzaron los problemas con el medio ambiente. Y eso nos llevó a las energías limpias y renovables. Estas energías limpias y renovables son el sol, la geotermia, la biomasa, la energía hidráulica, el viento, etc. (Inan, 1995).
Toda la energía que necesita la superficie terrestre proviene del Sol. Aproximadamente el 1-2% de esa energía se transforma en energía eólica (Vindmolleindustrien, 2006). Así, podemos decir que la energía eólica es la energía solar que se transforma en energía de velocidad (energía cinética) (Karadeli, 1999). El viento se define como el movimiento del aire en la atmósfera para equilibrar el desequilibrio térmico que se produce por el calentamiento desigual del aire por parte de la principal fuente de energía, el Sol (Ozdamar y Colak, 2000).
Las principales fuerzas de la atmósfera que producen el viento y afectan a su velocidad son: la fuerza de gradiente de presión, la fuerza de desviación, la fuerza centrífuga y la fuerza de fricción (Yavuzcan, 1974). La fuerza de gradiente de presión actúa para mover el aire de alta presión a baja presión. La fuerza de desviación afecta al aire de dos maneras: una es como fuerza de desviación de la rotación de la tierra para los movimientos que se crean a lo largo de los círculos de latitud y la segunda es como fuerza de desviación de la rotación de la tierra para los movimientos del ecuador a los polos o en la dirección opuesta. Los vientos, en general, están bajo el efecto de una fuerza que quiere desviarlos de su centro porque se enroscan alrededor de un centro. Esta fuerza se llama fuerza centrífuga. La fuerza de fricción trata de disminuir la velocidad del viento. El efecto de esta fuerza es mayor cuando se acerca a la superficie terrestre (Yavuzcan, 1994).
IMPORTANCIA DEL ROTOR
El motor es el órgano que transforma la energía cinética del viento en energía mecánica. Por esta razón es muy importante para los aerogeneradores. Es muy importante que el rotor y las palas del rotor tengan unas características óptimas, porque éstas tienen un efecto directo en la eficiencia de los aerogeneradores.
| Fig. 1: | Coeficiente de potencia (Cp) según Betz (1926) |
Una masa de flujo tiene una energía cinética debido a su velocidad (Klug, 2001).
El logro se deriva de la energía por tiempo. Cálculo del flujo de masa:
En estas condiciones podemos calcular la potencia con la siguiente ecuación (Klug, 2001);
La equidad de la potencia da la potencia teórica que se puede obtener de la energía cinética que se almacena en el viento en forma de vatios. Esta potencia teórica tiene que ser transformada en potencia útil con la ayuda del rotor de la turbina. En este punto hay que tener en cuenta una constante que se ve afectada por la velocidad del viento, la velocidad del eje de la turbina y la elección de las palas. Esta constante se denomina constante de potencia ideal (Cp). El tipo de pala, la forma de la pala, el ángulo de inclinación y la velocidad de la punta de las palas son factores efectivos en este caso. En la Fig. 1 se muestra el diagrama del coeficiente de potencia ideal. Teóricamente la constante de potencia ideal no puede exceder de 0,59. Esta constante se llama constante de Betz. En la práctica, este valor es incluso menor (Becenen y Eker, 2001). Porque en la práctica entran en juego las pérdidas mecánicas (η). Pero el valor de la eficiencia mecánica se puede despreciar en los cálculos, porque está cerca de 1. Nuestra ecuación con este conocimiento es la siguiente:
Una cosa que no hay que olvidar aquí es que la densidad del aire es de 1,225 kgm-3 en condiciones meteorológicas estándar (temperatura: 15°C y presión atmosférica: 1013,3 hPa) (Klug, 2001). Los cambios en la temperatura y la presión del aire modificarán la densidad del aire.
| Fig. 2: | Número de ciclos de diferentes estructuras durante la vida útil (Klug, 2001) |
EL ROTOR DE LA TURBINA EÓLICA Y LAS DEMÁS CONSTRUCCIONES
En la Fig. 2 número de ciclos de diferentes estructuras durante la vida útil.
Los aviones comerciales tienen más tensión que los puentes y los helicópteros. Por el contrario, el número de revoluciones es menor que el de los puentes y los helicópteros. En esta secuencia, los puentes vienen después de los aviones comerciales. Los helicópteros tienen más tensión que los puentes. Y los aerogeneradores vienen en la última secuencia. Este conocimiento nos muestra las turbinas de viento no mucho estrés, aunque tiene un mayor número de revoluciones funciona.
INTENCIÓN DE QUE EL DISEÑO DE ROTORES
| – | A baja velocidad del viento de alta potencia. |
| – | Suministrar la alta potencia a baja altura de buje. |
| – | Suministrar la alta potencia en pequeños diámetros de rotor. |
| – | Los coeficientes de potencia del rotor aumentan. |
| – | Optimizar la relación de velocidad de punta del rotor producir. |
Principios de diseño del rotor
Obtener la máxima producción de energía de un aerogenerador depende de varios factores. Estos son factores como la altura del aerogenerador; el área de barrido de las palas del aerogenerador y la estructura aerodinámica, la densidad del aire y la velocidad del viento. Los más importantes de estos factores son la altura del aerogenerador y la estructura aerodinámica de la pala del aerogenerador. La altura del aerogenerador es importante porque la velocidad del viento aumenta a medida que nos alejamos de la superficie terrestre (Yavuzcan, 1994; Klug, 2001). La estructura aerodinámica de la pala del aerogenerador es importante, porque puede transformar como máximo el 59% de la energía cinética que tiene el viento en energía útil (Klug, 2001).
Aerodinámica del motor del aerogenerador: En la transformación de la energía eólica, que se forma por el calentamiento de distintos puntos de la atmósfera por la principal fuente de energía, el sol, en energía eléctrica; el rotor eólico, que es el primer anillo de la cadena de transformación, puede diseñarse según Betz o Glaubert-Schmitz con el fin de transferir la energía eólica existente con las mínimas pérdidas (Ozdamar y Kavas, 1999).
| Fig. 3: | Ajuste de los ángulos β (Piggott, 2006) |
| Fig. 4: | Algunos ángulos de los perfiles de las palas (Piggott, 2006) |
Calcula la velocidad de rotación de un elemento de la pala del rotor, que se encuentra con la distancia r del centro del rotor, como abajo (Ozdamar y Kavas, 1999):
Y la relación de velocidad de la punta del rotor se puede calcular con la siguiente ecuación (Ozdamar y Kavas, 1999)
En un diseño de pala hay que ajustar los ángulos beta (Fig. 3), para poder utilizar la cuerda en la pala (Piggott, 2006).
El viento que sopla desde la dirección opuesta, recoge el viento real para dar el viento visible que proporciona fuerzas de elevación y arrastre (Piggott, 2006).
Si se quiere diseñar un rotor de aerogenerador, entonces el ángulo de asalto depende del ángulo Φ de los vientos visibles y del ángulo de la pala (Fig. 4).
| Fig. 5: | Ese volumen de viento que los elementos de la pala funciona (Piggott, 2006) |
El ángulo de la pala controla el ángulo de asalto, por lo que controla la cantidad de elevación y arrastre en la pala (Piggott, 2006).
En la práctica, la mayoría de los perfiles producen la mejor curva de elevación y arrastre cuando el ángulo de asalto es de 5 grados. Como principio general, cuando no se pueden obtener datos detallados, dar este ángulo de asalto significa exponer el ángulo de la pala (Piggott, 2006).
Cuando se prepara el ángulo de la pala, también hay que preparar el ancho del cordón. Esta es la razón; cada elemento de la pala está bajo el efecto de un determinado viento como cuerda para poder trabajar. Una cuerda con radio r es pequeña cerca del centro y se hace mayor a medida que se aleja del centro y la cantidad de viento en la cuerda se mantiene baja. La parte más importante es la parte más alejada del centro (Fig. 5). La parte más cercana al centro es menos importante, pero inevitablemente tiene una forma diferente (Piggott, 2006).
Según Betz, el viento desacelera su velocidad en una proporción de 1/3 en cada parte del área de barrido de los rotores y esta desaceleración se realiza mediante la fuerza de empuje que está estrechamente relacionada con la fuerza de elevación. De esta regulación surge la siguiente ecuación (Piggott, 2006).
Para calcular el número de palas se puede utilizar la siguiente ecuación (Piggott, 2006):
La cuerda en la parte exterior de la pala se puede calcular con la siguiente ecuación (Piggott, 2006):
La parte exterior de las palas es más importante para el movimiento de los rotores. Pero la parte interior de las palas tiene que ser diseñada más ancha para ayudar a la potencia de rotación en el inicio (Piggott, 2006).
Altura del rotor del aerogenerador: A medida que la velocidad del viento se aleja de la superficie terrestre, se libera del efecto de fricción causado por la rugosidad de la superficie terrestre. Por lo tanto, se mueve más libremente. A medida que se aleja de los obstáculos que frenan su velocidad, ésta aumenta. Se supone que los vientos que se encuentran a 1000 m por encima de la superficie terrestre, es decir, los vientos geostróficos, no se ven afectados por la rugosidad de la superficie terrestre ni por las pérdidas por fricción. A la luz de estas reflexiones, podemos decir que existe una relación entre la velocidad del viento y su altura. Esta es la razón por la que los aerogeneradores se construyen lo más alto posible (Becenen y Eker, 2001).
Los valores de la velocidad del viento con la altura del eje del rotor se pueden calcular con la siguiente ecuación (Klug, 2001).
El coeficiente de rugosidad de los valores en esta ecuación proviene de la observación, la suposición y la experiencia (Klug, 2001).
Diámetro del rotor de la turbina eólica: Además de determinar la altura de la turbina, hay que determinar el diámetro del viento que barre la pala del rotor. El diámetro del viento que barren las palas del rotor tiene un efecto directo en la potencia que se obtendrá de la turbina. El diámetro de nuestros rotores determinará el área de la sección de viento que barre el rotor (Klug, 2001).
El potencial de viento en el lugar donde funcionará el rotor del aerogenerador: El potencial eólico en el lugar donde se instalará el aerogenerador es muy importante. Por eso es uno de los parámetros que hay que considerar en el diseño del rotor. El potencial de velocidad del viento en el lugar donde se instalará el aerogenerador debe observarse al menos durante 6 meses. El potencial del viento es directamente efectivo en la eficiencia del rotor del aerogenerador.
La velocidad del viento es el factor más importante sobre la energía del viento. La potencia que se obtendrá del viento es directamente proporcional a la velocidad del viento tercera potencia.
| Fig. 6: | Retener el viento contra ese obstáculo (Klug, 2001) |
| Fig. 7: | Perfil vertical del viento |
Por ejemplo, a grandes rasgos, si la velocidad del viento es de 1 m seg-1, entonces la potencia que se obtendrá es de 13 = 1 W y cuando la velocidad aumenta a 2 m/seg, entonces la potencia que se obtendrá será de 23 = 8 W, cuando la velocidad aumenta a 2 m seg-1, entonces la potencia que se obtendrá será de 33 = 27 W y así sucesivamente (Vindmolleindustrien, 2006).
Cuando la velocidad del viento tiene tanto efecto en la potencia que se obtendrá de la turbina eólica, el potencial eólico en el lugar donde se construirá la turbina es muy importante. El objetivo principal es encontrar el punto donde la velocidad del viento es máxima e instalar la turbina allí.
Estructura del terreno del lugar donde funcionará el rotor del aerogenerador: Existe una relación entre la velocidad del viento y la altura del mismo. Esta relación depende de algunas condiciones. Estas condiciones se originan en las formas del terreno. No se aplican las mismas condiciones en una superficie terrestre plana y en una superficie con obstáculos. En una superficie terrestre plana, a medida que aumenta la altura, la velocidad también aumenta en una proporción directa, pero esto no será así en una superficie terrestre con obstáculos. En una superficie con obstáculos, el viento tendrá que subir por encima de los obstáculos para reanudar su curso y esto provocará una pausa en la velocidad del viento.
Si el criterio más importante para obtener energía del viento es la velocidad del viento, entonces es muy importante encontrar las zonas donde la velocidad del viento es alta e instalar allí el rotor del aerogenerador. Pero no debemos hacer la falsa suposición de que al aumentar la altura siempre captaremos vientos que contengan más energía (Fig. 6).
Los factores que afectan a la velocidad del viento en función de la altura son: la constante de Von Karman, la velocidad de fricción superficial y la longitud de rugosidad.
La constante de Von Karman se toma en varios valores entre 0 y 4; la longitud de rugosidad se toma entre 0 y 5. A continuación se presenta un gráfico relativo a estos valores (Fig. 7).
El rendimiento exigido al rotor del aerogenerador: Antes de elegir un aerogenerador para una empresa, primero hay que determinar qué potencia eléctrica necesita nuestra empresa. De esta manera, se puede determinar la potencia del aerogenerador que se va a instalar. El rendimiento exigido al rotor debe determinarse en función de la potencia instalada por la empresa. En este punto también hay que considerar la cantidad de energía que la empresa necesitará en el futuro (Yavuzcan, 1978).
Potencia total de la central (Yavuzcan, 1978):
Para el consumo máximo la potencia utilizada es aquí (Yavuzcan, 1978);
La potencia de luz de la empresa es (Yavuzcan, 1978);
Principios de los rotores diseñados
Cálculos sobre las palas de prueba diseñadas: Determinación de la gravedad específica del aire: Hay que medir los valores de la temperatura del aire en el túnel de viento mientras trabajan las palas del experimento. Y se puede calcular con la siguiente ecuación. Así, este valor determinará la densidad atmosférica (Vardar, 2002).
Determinación del área de la sección transversal del rotor: El plano de la sección del rotor es un valor constante y depende del diámetro del rotor. En el cálculo del plano de sección del rotor se utiliza la siguiente ecuación.
Calcular la potencia teórica del viento que va al rotor: El viento tiene una energía cinética debido a su velocidad. Debido a la energía cinética, aquí da una potencia. Y este poder es el máximo poder del viento viene y es utilizable. Esto la potencia máxima puede calcular con la siguiente ecuación (Klug, 2001).
Determinar el valor de la potencia eléctrica en el motor eléctrico: Debido a la velocidad del viento el rotor girará. Y por lo tanto en el motor eléctrico saldrá corriente y voltaje. El valor de esta corriente y el voltaje puede medir con los analizadores de circuito. Y estos dos valores se escriben en la siguiente ecuación, aquí se obtiene la potencia eléctrica (Erna, 1977).
Determinación de la relación de velocidad de las palas: La relación de velocidad de punta es la relación con la velocidad de rotación (De punto en la distancia de la r (radio) desde el centro del rotor es la velocidad de rotación) y la velocidad del viento. Esta velocidad de rotación se puede determinar con la siguiente ecuación (Ozdamar y Kavas, 1999).
Y la relación de velocidad de punta se puede calcular con la siguiente ecuación (Ozdamar y Kavas, 1999).
Calcular el coeficiente de potencia: Toda la potencia teórica del viento no puede transformarse en la potencia práctica (Betz, 1926). Durante la transformación se producen algunas pérdidas de potencia. En esta condición se debe calcular la relación de transformación de la potencia eólica teórica a la potencia del eje. En los cálculos se puede utilizar la siguiente ecuación (Ozdamar y Kavas, 1999).
En la Tabla 1 el valor de la pérdida de vórtice.
| Tabla 1: | Valores de CPschmitz según λ (Ozdamar y Kavas, 1990) |
La pérdida del perfil se puede calcular con la siguiente ecuación (Ozdamar y Kavas, 1999).
El número de deslizamiento se puede calcular con la siguiente ecuación (Ozdamar y Kavas, 1999).
El valor de este ε varía en función del perfil de la hoja.
Los valores de velocidad obtenidos con los experimentos se escriben en la siguiente ecuación (Piggott, 2006).
Si se observan los valores de Re calculados y el perfil utilizado, se puede obtener el valor óptimo de CK/CD y α (ángulo de ataque) (con la ayuda del software Snack 2.0).0).
La pérdida de punta se puede calcular con la siguiente ecuación (Ozdamar y Kavas, 1999).
Determinar la potencia del eje: Con las ecuaciones 18 y 22 se puede determinar la potencia eólica teórica y el coeficiente de potencia. Estos dos valores escritos en la siguiente ecuación, pueden poner la potencia práctica del eje de los perfiles de las palas (Ozdamar y Kavas, 1999).
Cálculos sobre las palas reales: Teniendo en cuenta los resultados de las pruebas, el valor de la potencia que puede obtenerse del eje del rotor que se instalará en el aerogenerador puede calcularse por el siguiente método.
Determinación del área de la sección del rotor: También el plano de sección el rotor de la pala real puede calcular con la ecuación 17 (Birnie, 1999). Los valores del diámetro del rotor debe ser el mismo para comparar los rotores después de los cálculos.
Determinar la potencia del eje del rotor: El valor de Cp, que se utiliza en la potencia del eje del rotor, se calculó el valor con la Ecuación 22. Los valores de la densidad atmosférica y la velocidad del viento deben ser constantes para comparar los rotores después de los cálculos. La potencia del eje del rotor de las palas reales se puede calcular con la siguiente ecuación (Klug, 2001).
Adaptando las palas reales a la presencia del viento en las regiones: Los valores de velocidad del viento que se utilizan aquí son valores que se midieron y observaron durante al menos 6 meses. Los valores de velocidad del viento que se utilizan aquí son valores medidos a 10 m sobre el suelo. El valor del coeficiente de potencia que se utiliza aquí es importante. Para comparar los rotores al final de los cálculos, el valor de la gravedad específica del aire tiene que ser tomado como un valor constante.
Calcular el área de la sección transversal de los rotores: El plano de la sección del rotor en las palas reales adaptaciones en la región, puede calcular con la ayuda de la Ec. 17 (Birnie, 1999).
Determinar la velocidad del viento en la altura del eje del rotor: La velocidad del viento en la altura del eje del rotor se puede calcular con la ayuda de la siguiente ecuación (Klug, 2001).
Calcular la potencia del eje del rotor: La potencia en el eje se puede calcular con la ayuda de la Ec. 25 (Klug, 2001).
CONCLUSIONES
Para aumentar la eficiencia de las turbinas eólicas, los principios de planificación del rotor son muy importantes para las turbinas eólicas con eje horizontal. No es posible esperar la máxima eficiencia de un aerogenerador que se instala sin hacer los procesos de optimización.
Como en todos los temas, para tener éxito cuando se aprovecha la energía eólica, los valores básicos deben estar basados en datos científicos. Cuando se considera el tema desde este punto de vista, hay que plantear los parámetros de diseño del rotor en los aerogeneradores. Partiendo de aquí, se pueden desarrollar los sistemas más adecuados tomando como base los datos de origen.
La estrategia básica es poner en práctica sistemas de alto rendimiento que puedan competir.
Nomenclatura