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III Jornadas de Cooperación Universitaria al Desarrollo de Castilla y León
1
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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4
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) vw3 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 eólicas
Potencia 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 ( = 90 rad/s ) en la 7ª vueltas plano z=0
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Comportamiento periódico TSR = 0,75 ( = 73 rad/s) Variación del Coeficiente de potencia durante una vueltaCampo de presiones
• Posición más desfavorable
• Posición más favorableTita
Coef. Potencia
0
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 ( = 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
360ºP(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
120º
P(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 ( = 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. Potencia
0
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 ( = 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. Potencia
0
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 ( = 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