Validación del comportamiento de un rotor eólico biomimético mediante un modelo supervisado en CFD

Resumen: Este trabajo se centra en el análisis de una turbina de eje horizontal basada en un diseño biomimético; a lo largo del desarrollo de este proyecto se desarrolla y da conocer la diferencia que existe entre un análisis computacional y los datos obtenidos por medios experimentales del rotor eólico UN-V1. El análisis inicia mostrando la forma en que el sistema de medición fue obtenido, se describe la forma que se propuso medir por medio experimental el coeficiente de potencia del rotor eólico, se presenta la forma en que se ha obtenido la curva de rendimiento experimentalmente haciendo uso de aproximaciones de diseño de experimentos. Se da una muestra de la forma en que se realiza la configuración del caso usando dinámica computacional de fluidos usando el software OpenFoam, para ello se hace uso del modelo de turbulencia LES (Large Eddy Simulation); a lo largo de este análisis se determina el tamaño del dominio computacional y se muestra la forma en que se ha programado la malla, con el fin de aplicar el modelo de turbulencia se aplican esquemas de discretización de las variables de transporte. Posteriormente se hace un análisis de independencia de malla para el modelo de turbulencia planteado así como un criterio de convergencia. El método de configuración computacional mostrado se valida con el uso de la turbina NREL Phase VI, posteriormente se hace una muestra de los resultados mostrando la estructura de los vórtices y las curvas de operación del rotor en comparación con los datos obtenidos por medio experimental..Abstract. This work focuses on the analysis of a horizontal axis wind turbine based on a biomimetic design; throughout the development of this project, the difference between a computational analysis and the data obtained by experiments of the UN-V1 wind rotor (Castañeda, 2010) is developed and revealed. The analysis shows the way in which the measurement system was obtained, it is described the form that was proposed to measure by means of experimental the power coefficient of the wind rotor, it presents the form in which the performance curve was obtained experimentally making use of Experimental design approaches. It shows a sample of the way in which it make the configuration of the case using the computational fluid dynamics using the software OpenFoam, to do this it is used the LES (large Eddy simulation) turbulence model; Throughout this analysis the size of the computational domain is determined and shows the way in which the mesh has been programmed, in order to apply the turbulence model, it is applied discretization schemes for the transport variables. Then an analysis of mesh independence is made for the turbulence model proposed as a convergence criterion. The computational configuration method has been validated using the NREL Phase VI turbine, shows a sample of the results showing the structure of the vortices and curves of rotor operation compared to data obtained by experimental means.Maestrí

Aeroelasticidad computacional de grandes aerogeneradores: estado del arte, desafíos y áreas de vacancia

El objetivo de este trabajo es presentar el estado del arte, los desafíos y las áreas de vacancia en lo relativo al análisis aeroelástico computacional, con un enfoque de co-simulación, de grandes turbinas eólicas de eje horizontal. El material expuesto servirá como base para la orientación de trabajos futuros en esta rama de la mecánica aplicada y como introducción de los aspectos fundamentales para quienes se inicien en el tratamiento de problemas acoplados con un abordaje multifísico. La simulación de sistemas complejos, compuestos de varios subsistemas que interactúan, es importante en muchos campos de la ciencia y en aplicaciones tecnológicas. Una manera de abordar tales problemas es mediante un enfoque de co-simulación, es decir, mediante la ejecución simultánea de múltiples simuladores, uno para cada uno de los subsistemas que interactúan. El desarrollo de tal tipo de herramienta requiere la definición de algoritmos de interacción para vincular las soluciones generadas por cada uno de los simuladores a nivel numérico, tanto espacial como temporalmente. El análisis aeroelástico de turbinas eólicas mediante el paradigma de co-simulación incluye, al menos, tres componentes: un modelo estructural para determinar la respuesta de la máquina a las cargas aerodinámicas, un modelo aerodinámico para calcular las cargas actuantes sobre la máquina, y un método de interacción para vincular los dos modelos antes mencionados.El abordaje de co-simulación debe producir soluciones comparables a aquellas que se obtendrían mediante un adecuado enfoque monolítico. La elección del método de interacción dependerá fuertemente de los modelos estructural y aerodinámico utilizados. La decisión sobre qué submodelos utilizar estará basada, en cambio, en el aspecto que desee estudiarse: las exigencias sobre cada sub-simulador son muy diferentes si se requiere, por ejemplo, estudiar la interacción entre las estelas vorticosas generadas por cada una de las turbinas que conforman un parque eólico, o si se desea predecir la delaminación en el material compuesto utilizado para construir las palas de una turbina cuando estas están sometidas a la carga de trabajo máxima. Diferencias sustanciales están asociadas también al costo computacional esperado. En este trabajo se analizan los diferentes aspectos involucrados en el análisis computacional multifísico del comportamiento aeroelástico de grandes aerogeneradores de eje horizontal. Se presentan y comparan diferentes alternativas utilizadas en la actualidad, tanto en el ámbito académico como en el industrial. Además, se realiza un análisis de las áreas poco desarrolladas y que podrían tener impacto en un futuro cercano para el desarrollo de turbinas y parques eólicos.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 25Facultad de Ingenierí

Modelling and control of floating offshore wind turbines

This tutorial deals with the modeling and control of floating marine wind turbines. First, these offshore wind energy systems, located on the high seas, in deep waters are described; some modeling approaches are discussed. The power control of these turbines is presented in detail, explaining the different types of control that seek to maximize the energy. The issue of unstable dynamics that can appear in the floating platform due to the wind turbine rotor control is highlighted, something that other types of offshore and onshore turbines do not share. An example shows the reduction of vibrations by applying structural control strategies; results prove that a passive device that is complemented with a mechanism called inerter eliminates the oscillations of the floatin

Análisis aerodinámico de una microturbina eólica de eje vertical para la generación de energía eléctrica en una zona urbana de Bogotá, Colombia

El estudio y análisis de la posibilidad de generar energía eléctrica (micro generación: tecnología de turbinas cuya potencia nominal no supera los 100 kW1), mediante la implementación de microturbinas eólicas, es una forma de innovación para la producción de energía eléctrica en zonas urbanas y rurales. Debido a que las velocidades del viento son relativamente bajas en estas zonas, es factible la construcción de fuentes de generación de energía propias. En este estudio se realizó un análisis de la mejor localidad en Bogotá que contará con las mayores velocidades de viento, para la ubicación de una microturbina en relación a un edificio, con el objetivo de determinar los dos mejores ubicaciones de la turbina con respecto al edificio para la realización de los estudios y establecer cuál era la mejor ubicación para la implementación final de la microturbina

A comparison study of fixed & floating offshore structures

RESUMEN: En el presente proyecto que se muestra a continuación, se pretende realizar una breve comparación entre las estructuras eólicas marinas de soporte fijas y flotantes. Los últimos años han sido testigos de un esfuerzo considerable hacia el desarrollo de la tecnología de turbinas eólicas marinas, promovido por el aumento del consumo de energía tanto en España como en el mundo. Actualmente, la tecnología empleada comercialmente son las estructuras fijadas al fondo marino. Sin embargo, la necesidad de producir energía cada vez a más millas de la costa origina la eólica flotante, en la que solo existen prototipos de investigación lo que representan el próximo desafío en la industria. El estudio se encuentra dividido en varias secciones como: introducción, memoria descriptiva, aplicación práctica y conclusiones. Dentro de la introducción se desarrollan aspectos como los antecedentes, la naturaleza del trabajo, el contexto técnico, la justificación y relevancia, y los objetivos. En la memoria descriptiva, se desarrolla el planteamiento el problema, la metodología y se exponen las herramientas de resolución del proyecto. En estas últimas, se elige el diseño conceptual, las cargas en el medio marino y el análisis dinámico global de evaluación de turbinas eólicas marinas como los parámetros a comparar. La sección aplicación práctica por su lado pretende con ayuda de lo anterior, exponer de una manera más visual una comparación general de las estructuras en el ámbito de la metodología de diseño y en el económico. Por último, se presentan las conclusiones a la que se han llegado.ABSTRACT: In the present project shown below, a brief comparison between fixed and floating support offshore wind structures is intended. Recent years have witnessed a considerable effort towards the development of offshore wind turbine technology, promoted by the increase in energy consumption both in Spain and in the world. Currently, the technology used commercially is the structures fixed to the seabed. However, the need to produce energy more and more miles from the coast gives rise to floating wind, in which there are only research prototypes, which represent the next challenge in the industry. The study is divided into several sections such as: introduction, descriptive memory, practical application and conclusions. Within the introduction, aspects such as the background, the nature of the work, the technical context, the justification and relevance, and the objectives are developed. In the descriptive memory, the approach, the problem, the methodology and the resolution tools of the project are exposed. In the latter, the conceptual design, the loads in the marine environment and the global dynamic analysis of marine wind turbine evaluation are chosen as the parameters to be compared. The practical application section, on the other hand, intends with the help of the above, to expose in a more visual way a general comparison of the structures in the field of design methodology and in the economic one. Finally, the conclusions that have been reached are presented.Máster en Ingeniería Marin

Métodos numéricos para el desarrollo de una turbina hidrocinética tipo Gorlov

Actualmente, a nivel mundial las energías alternativas han tomado gran importancia en las diversas aplicaciones relacionadas con el desarrollo del sector energético, entre las cuales podemos mencionar la energía solar, eólica, hidráulica, geotérmica y mareomotriz. Una nueva tecnología que aprovecha la energía cinética de la corriente de agua en canales naturales y/o artificiales e inclusive de las corrientes marinas son las turbinas hidrocinéticas. En este trabajo, se presenta un estudio de los diferentes métodos numéricos que pueden ser de utilidad para diseñar, analizar y optimizar sistemas de generación energética a partir de turbinas hidrocinéticas.Nowadays, the alternative energies have reached a great worldwide importance in the different applications related to the development of the energy sector, among which the solar energy, wind energy, hydraulic energy, geothermal energy and seawater energy can be named. A new technology that uses the kinetic energy from the water currents in natural and/or artificial channels and even from sea currents are the so-called hydrokinetic turbines. In this study, a review of the state-of-the-art referring to several numerical methods that can be useful when implemented to design, analyze, and optimize energy generation systems from hydrokinetic turbines is presented

Análisis aerodinámico y simulación computacional de un elemento álabe de una turbina eólica pequeña para el aprovechamiento eólico en Reque

En los últimos años, los aerogeneradores han aumentado su demanda por su bajo costo de instalación y el aumento de consumo de energía eléctrica, contribuyendo de manera rápida al acceso de electricidad de miles de personas de los países en desarrollo que viven en zonas rurales o áreas remotas; por lo que ofrece una prometedora alternativa. Las turbinas eolicas se aplican en: ambientes residenciales, sistemas híbridos, sistemas de bombeo, comercial e industrial, pesquería y barcos de recreación, pastizales, granjas, áreas remotas, desalinización, monitoreo remoto, investigación, educación, y estaciones de telecomunicación. El distrito de Reque cuenta con un recurso eólico cuya velocidad promedio es de 7,32_m/s, y hasta la fecha no hay ningún proyecto para aprovechar dicho recurso y convertirlo en energía eléctrica en beneficio de la comunidad. Por esta razón la presente tesis tiene por objetivo realizar un análisis aerodinámico de un elemento de álabe de una pequeña turbina eólica para aprovechar de la mejor manera el recurso eólico del distrito de Reque. Para ello, se analizará y seleccionará tres perfiles de álabes dibujados en CAD según NACA y se tomará como modelo el perfil que obtenga un mejor rendimiento aerodinamico con la intención de realizar proyectos futuros. Asimismo, se realizará una simulación computacional mediante software CFD con el propósito de validar los resultados

Análisis de viabilidad para implementar una red de logística Inversa en aerogeneradores de los parques eólicos

Partiendo de una revisión literaria sobre la logística inversa y la importancia de la aplicación de esta, se encontró que la problemática que se está viviendo actualmente con el cambio climático y con lo mucho que está sufriendo nuestro planeta es realmente grave; de esto nace la necesidad de proponer una solución alterna a la disposición de los desechos que se generan por los aerogeneradores, los cuales son producto una alternativa que busca ser amigable con el medio ambiente, pero que se identificó a lo largo de este proyecto que causa graves daños en el largo plazo al ambiente dado que no se tiene claro una forma óptima de reciclar estos dispositivos que generan bastantes desechos al final de su vida útil..

OPTIMIZACIÓN EN DIMENSIONAMIENTO Y CONTROL ENERGÉTICO DE SISTEMAS HÍBRIDOS DE ENERGÍAS RENOVABLES EN ECUADOR

La creciente demanda de energía eléctrica referida como factor clave en el desarrollo de la sociedad actual, junto con una industria basada principalmente en hidrocarburos, impulsan el desarrollo de nuevas tecnologías renovables que podrían encaminar a un desarrollo sostenible. Por lo tanto, la presente Tesis tiene como objetivo analizar la factibilidad de sistemas híbridos compuestos por energías renovables, su optimización y control energético en el Ecuador. En base a ello, en este documento se han realizado varios estudios donde se analiza el impacto de sistemas híbridos renovables (HRES) compuesto por energía fotovoltaica (PV), turbinas hidrocinéticas (HKT), turbinas eólicas (WT), baterías y gasificadores de biomasa (GB). Las simulaciones de los HRES, en algunos casos se realiza utilizando herramientas computacionales como HOMER Pro y Matlab Simulink. Los resultados demuestran que, al utilizar sistemas renovables conformados por más de una fuente energética son más eficientes con respecto a sistemas con una sola fuente renovable. Esta Tesis también presenta una comparativa entre tres sistemas alternativos para impulsar a un tranvía ubicado en Cuenca - Ecuador. Cada sistema estudia la combinación efectiva de supercondensadores (SC), baterías de iones de litio (LIB) y celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) a bordo. El primer sistema trata de la gestión energética de las fuentes renovables (PV/HKT/GB) en conjunto con SC y PEMFC simuladas en HOMER Pro, el segundo sistema utiliza baterías de ion litio como respaldo al sistema anterior mencionado (PV/HKT/GB/SC/PEMFC/LIB). Mientras que el tercer sistema no cuenta con fuentes renovables ya que utiliza energía de la red desde un único punto de carga para abastecer al tranvía, este sistema está formado por (SC/PEMFC/LIB/red eléctrica) haciendo que el tranvía sea completamente autónomo. El análisis energético y económico se basa en la capacidad de cada sistema para abastecer la carga y los recursos utilizados. Los resultados muestran que los nuevos sistemas de control propuestos son siempre capaces de suministrar la potencia que necesita el tranvía durante todo su recorrido. Otro bloque analizado en esta Tesis son los sistemas multienergéticos que, recientemente han sido protagonistas de un creciente interés en este campo. Este tipo de redes involucran diferentes vectores de energía y los trata en su conjunto. Los casos más típicos contemplan subsistemas eléctricos, de gas natural e hidrógeno. Se han realizado múltiples esfuerzos para modelar este tipo de redes para problemas de gestión energética. La sección final de esta Tesis tiene como objetivo desarrollar un modelo de microredes (MG) completo pero manejable y multienergético, que permita representar con precisión la interacción entre los subsistemas eléctricos, de gas natural e hidrógeno. Los resultados muestran que el modelo desarrollado es capaz de representar con precisión el comportamiento operativo de las microrredes multienergéticas, que pueden ser valiosas para múltiples herramientas de investigación y educación aplicadas en estaciones de servicio híbridas.The growing electrical demand considered a key factor in the development of today's society, together with an industry based mainly on hydrocarbons, are driving the development of new renewable technologies that could lead to sustainable development. Therefore, this thesis aims to analyze the feasibility of hybrid systems composed of renewable energies, their optimization and energy control in Ecuador. Based on, several studies have been done where the impact of off-grid renewable hybrid systems (HRES) composed of photovoltaic energy (PV), hydrokinetic turbines (HKT), wind turbines (WT), batteries and biomass gasifiers (GB). The simulations of HRES have been done using computational tools such as HOMER Pro and Matlab Simulink. The results have shown that, by using renewable systems made up of more than one energy source simultaneously, the system is more efficient and promising. This work also presents a comparison of three alternative systems to supply the traction power of a tramway in Cuenca - Ecuador. Each system studies the effective combination of supercapacitors (SC), lithium-ion batteries (LIB), and proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) on board. The first system deals with the energy management of renewable sources (PV/HKT/GB) in conjunction with SC and PEMFC simulated in HOMER Pro, the second system uses lithium ion batteries as a backup to the above mentioned system (PV/HKT/GB/SC/PEMFC/LIB). While the third system does not consist of renewable sources, using energy from the grid in a single charging point to supply the tramway (SC/PEMFC/LIB/electrical grid) making the tramway completely autonomous. The energy and economic analyzes are based on the capacity of each system to supply the load and the resources used. The results show that the new proposed control systems are always capable of supplying the tramway on its round trip. Another block analyzed in this thesis is the multi-energy systems that, recently, there has been a growing interest in this field. This type of network involves different energy vectors and treats them as a whole. The most typical cases contemplate electrical, natural gas and hydrogen subsystems. Multiple efforts have been made to model this type of network for energy management problems. The final section of this thesis aims to develop a complete but manageable, but multi-energetic, microgrid model (MG) that allows to accurately represent the interaction between the electrical, natural gas and hydrogen subsystems. The results show that the developed model is capable of accurately representing the operational behavior of multi-energy microgrids, which can be valuable for multiple research and education tools applied to hybrid refueling stations.Tesis Univ. Jaén. Departamento De Ingeniería Eléctrica. Leída el 10 de febrero de 2021

Flujo de potencia y balance de energia bidereccional en generación eólica distribuida aplicado en un sistema eléctrico rural de 22.9 KV. Vitor - Yuramayo - Arequipa

Los proyectos de Energía Eólica distribuida a gran Escala (Net Billings), cubren entornos de políticas, incluida la coherencia de incentivos y accesibilidad de interconexión, medición neta, permisos, políticas y precios de la electricidad para la energía que sería generada por el viento, es decir por los recursos eólicos, lo que permitiría una producción constante de energía. Estas condiciones pueden ser un indicador de un posible desarrollo futuro y pueden aumentar significativamente la probabilidad de despliegues eólicos distribuidos. Los sistemas distribuidos existentes como MRT pueden ser incluidos como Net Metering desde condiciones en generación eólica para un sector rural, alimentado en 22.9KV. desde una concesión con datos ya determinados, mencionando temas políticos, recursos eólicos, electricidad y programas de evaluación como una puerta abierta a nuevos estudios e investigaciones.Tesi