PFC Marc Berenguer

ANÀLISI MITJANÇANT MECÀNICA DE FLUIDS COMPUTACIONAL D’UN

AEROGENERADOR MINIEÒLIC

Marc Berenguer Vilamitjana

Enginyeria industrial (Pla 2002). Setembre 2014

ÍNDEX DE LA PRESENTACIÓ• Introducció

• Metodologia aplicada

• Resultats

• Conclusions

• Torn de preguntes

INTRODUCCIÓ

INTRODUCCIÓ

• Inicis energia eòlica

• Situació actual

• Air-X

(Font: Wikimedia Commons)

(Font: Wikimedia Commons)

• Inicis energia eòlica

• Situació actual

• Air-X

INTRODUCCIÓ

(Font: Wikimedia Commons)

• Inicis energia eòlica

• Situació actual

• Air-X

INTRODUCCIÓ

(Font: Wikimedia Commons)

• Inicis energia eòlica

• Situació actual

• Air-X

INTRODUCCIÓ

Una turbina eòlica només pot convertir en energia mecànica el 59,26% de

l’energia cinètica del vent que incideix sobre ella.

Llei de Betz

• Inicis energia eòlica

• Situació actual

• Air-X

INTRODUCCIÓ

(Font: Isaac Braña)

• Inicis energia eòlica

• Situació actual

• Air-X

INTRODUCCIÓ

(Font: Wikimedia Commons)

INTRODUCCIÓ

• Inicis energia eòlica

• Situació actual

• Air-X

(Font: El Periódico)

INTRODUCCIÓ

• Inicis energia eòlica

• Situació actual

• Air-X

• Inicis energia eòlica

• Situació actual

• Air-X

INTRODUCCIÓComportament

cinemàtic

Comportamentmecànic

Comportamentaerodinàmic

Recursoseòlics

• Inicis energia eòlica

• Situació actual

• Air-X

INTRODUCCIÓ

INTRODUCCIÓ

• Inicis energia eòlica

• Situació actual

• Air-X

• Fabricat per Technosun

• Perfil pala tipus SD2030

• 6 kg i 0,582m de radi

• T.S.R. de 8,8

• 545W de potència

• Baix manteniment: 2 parts mòbils

• Corba de potència coneguda

INTRODUCCIÓ

Air-X & Air-X marine Controladores de carga, der

Diámetro rotor 1.14 metros (46”) Peso 6 Kg. (13 lb) Velocidad de arranque 3 metros /seg (7 millas por hora) Voltaje 12 y 24 VDC

(36/48 VDC pronto disponible) Corriente pico 400 vatios @ 12.5 m /seg. (28 m /h) Mejorando la carga de la batería

x� El controlador de carga del Air-X detiene periódicamente la carga, lee el voltaje de la batería, lo compara con el voltaje predispuesto y si la batería está cargada, desconecta o interrumpe cualquier corriente que vaya a la batería de forma automática en tan solo unos milisegundos. Asegurándose que esté siempre cargada. Prolongando la vida de la batería e impidiendo sobrecargas.

Conformidad UL según los estándares UL 1741 - 1999 y CSA 22.2 Nº 107.1-95, cumple la normativa CE

www.technosun.com

Esquemas técnicos

Especificaciones generales

www.technosun.com

INTRODUCCIÓ

• Fabricat per Technosun

• Perfil pala tipus SD2030

• 6 kg i 0,582m de radi

• T.S.R. de 8,8

• 545W de potència

• Baix manteniment: 2 parts mòbils

• Corba de potència coneguda

METODOLOGIA APLICADA

ESTIMACIÓ DE LES VELOCITATS DEL VENT

• Velocitat d’arrencada típicament 3 o 4 m/s

• Grans aerogeneradors fins a 25 o 30 m/s

• Minieòlics fins al voltant de 15 m/s

ESCOLLIR PARÀMETRE λ

• També anomenat T.S.R.

• Relaciona la velocitat de la punta de la pala amb la velocitat del vent que hi incideix.

Nombre pales λ

8 a 24 1

6 a 12 2

3 a 6 3

2 a 4 4

3, rarament 2 o 1 5 o més

CALCULAR REVOLUCIONS TEÒRIQUES DE GIR

• Serviran com a referència per escollir un interval de simulació.

• .

Velocitat vent (m/s) Velocitat gir (RPM)4 328,25 410,26 492,27 574,38 656,39 738,310 820,411 902,412 984,513 1066,514 1148,5

CAPÍTOL 3. DESCRIPCIÓ DE LA METODOLOGIA 25

el valor de Lambda podria estar entre tres i cinc. No obstant, al indicarespecíficament tres pales en el valor cinc, aquest és que s’agafarà inicialment.

3.3 Càlcul de les velocitats de gir teòriques

La definició del paràmetre � que s’acaba d’escollir és:

vpunta = � · vvent (3.1)

sabent que la velocitat de la punta de la pala està directament relacionadaamb la de rotació:

! ·R = � · vvent (3.2)

cal passar la velocitat angular a radiants per segon:

! · 2 · ⇡60

·R = � · vvent (3.3)

i finalment aïllant la velocitat angular i simplificant:

! =30 · �⇡ ·R · vvent (3.4)

Amb aquesta fórmula es pot calcular la velocitat de rotació teòrica del’aerogenerador. No coincidirà amb la que es produirà en la pràctica, peròserveix com a valor de referència per iniciar les simulacions.

Els valors que s’obtenen es poden veure a la taula 3.2.

3.4 Càlcul dels límits de potència teòrics

Per últim, abans de començar a fer les simulacions es calcularan alguns límitsteòrics de la potència màxima que es podria extreure de l’aerogenerador perpoder tenir algunes referències de la validesa dels resultats durant els càlculs.

Primerament es calcularà la potència màxima que es podria obtenir se-gons Betz. Aquest càlcul ens dona la potència màxima que podríem generar

CALCULAR LÍMITS DE POTÈNCIA TEÒRICS

• Límit de Betz: 8/27· ⍴· s· V3

• Límit per aerogeneradors ràpids: 0,2· D2· V3

DIBUIXAR GEOMETRIA• Dibuixar l’eix.

• Dibuixar la pala situant els perfils segons altura, corda i angle.

• Fer l’unió de l’eix amb la pala.

• Situar les altres pales.

• Dibuixar el conducte per l’aire.

FER EL MALLAT

• Més fi a la part central.

• 2 refinaments.

• 510.668 nodes i 2.644.495 elements.

DEFINIR CONDICIONS DE SIMULACIÓ

• Situar l’entrada i sortida de vent.

• Escollir comportament de les parets.

• Indicar la velocitat a que giren les pales.

• Rugositat de 0,0015mm.

• Seleccionar simulació de tipus transitori.

• Escollir el timestep.

SIMULACIONS

• 8 velocitats del vent: 4, 6, 8, 9, 10, 11, 12 i 14 m/s.

• Intervals de 50rpm entre simulacions.

• 83 simulacions (+ de 1000 hores de simulació).

RESULTATS

Pressions a la palaPressions relatives negatives al darrera.

Les pressions més altes es troben al cantell d’atac.

Revers Anvers

Pressions al voltant de la palaLes pressions al voltant es corresponen amb les típiques

en aerogeneradors.

Velocitat d’entrada a l’aerogeneradorLa velocitat d’entrada del vent és correcte.

Potència per a V=8m/sNo s’aprecia un màxim.2 pendents diferenciats.

Potències de les simulacionsS’aprecia un acotat superior.

Amb els trams de pendent més alt es busca una corba de regressió.

Corba de regressióEquació similar a les potències teòriques.

Validesa corba de regressióEs manté per sota els límits teòrics.

A altes velocitats no és vàlida perquè no hi havia dades.

Potències amb la regressióEs veu la separació de cada velocitat al canviar de pendent.Amb aquest punts de separació es traça la corba teòrica.

Corba de potència teòricaComportament esperat.

Potències teòriques i realsReals bastant per sota de les teòriques.

La real negra i verda per baixa i alta turbulència respectivament.

Comparativa potènciesLa teòrica és equivalent amb la de baixes turbulències.

CONCLUSIONS

• Ha sigut possible crear una metodologia.

• S’han complert les especificacions amb la potència de càlcul disponible.

• Les simulacions en 3D permeten detectar el despreniment de capa.

• La corba teòrica coincideix amb la real.

• El mètode no troba una velocitat màxima.

TORN PREGUNTES