Influencia de la deflexión para diferentes ángulos de pitch en perfiles alares FishBAC de turbina eólica mediante URANS

Abstract

El aumento del consumo energético a nivel mundial, principalmente impulsado por la industria y la población en crecimiento, ha llevado a una dependencia significativa de los combustibles fósiles para la generación de energía, a pesar de sus efectos ambientales y de salud negativos. La creciente conciencia ambiental ha reavivado el interés en las Energías Renovables, como la eólica, solar e hidráulica, que han experimentado un notable crecimiento y competitividad. En Chile, aunque los combustibles fósiles siguen siendo dominantes, las Energías Renovables han ganado terreno gracias a regulaciones y compromisos internacionales, impulsando una transición hacia una matriz energética más sostenible. Dentro de todas las Energías Renovables No Convencionales, este estudio se centra específicamente en energía eólica y la implementación de la tecnología morfoadaptable FishBAC, la que permite una deformación continua de los perfiles alares para mejorar la eficiencia en la captación de energía eólica. El trabajo se diferencia de los anteriores al considerar un estudio bidimensional para comprender las fuerzas sobre el perfil aerodinámico y un estudio tridimensional para comprender el comportamiento de la estela que deja una turbina eólica al utilizar tecnología FishBAC. Se plantea un estudio con condiciones de flujo turbulento y transiente, con el fin de comprender mejor el comportamiento real al que se exponen las turbinas eólicas. El objetivo es contribuir a la optimización de las turbinas eólicas y la planificación de parques eólicos. Los estudios bidimensionales y tridimensionales se realizan mediante simulaciones numéricas en el software de código abierto OpenFOAM, en las que se utilizó el método computacional para turbulencia k − ω SST. Las condiciones de flujo para el caso de estudio corresponden a una velocidad del viento libre de 11.5[m/s], velocidad angular del rotor de 146.18[rad/s], intensidad de turbulencia de 10 %, perfil NACA0012, ángulos de pitch de 0°, 6° y 12° y tres tipos de deflexiones, nula, positiva y negativa. Específicamente para el caso tridimensional, el diámetro del rotor utilizado es de 0.944[m], el cual corresponde a una turbina para pruebas en túnel de viento. El desarrollo del código tridimensional es mucho más complicado que el bidimensional, ya que este último solo considera el estudio sobre un perfil eólico, mientras que el tridimensional considera una geometría de turbina completa o método Fully Resolved Rotor, en donde el principal obstáculo es lograr una buena relación entre las mallas existentes, específicamente entre la malla rotatoria que contiene al rotor de la turbina y la malla estática que corresponde al túnel de viento. Si no existe una buena relación entre estas dos mallas, ocurren errores durante la simulación. Con respecto al código bidimensional, en la validación se encontró que una malla estructurada por bloques de 32.000 celdas fue la óptima para obtener resultados precisos con eficiencia en el tiempo de ejecución, el cual se puede aproximar a dos días. Los resultados de coeficientes de arrastre y sustentación se compararon favorablemente con estudios anteriores. En relación a los resultados del estudio al implementar la tecnología FishBAC en un perfil NACA0012, con respecto a los valores obtenidos con la deflexión nula y considerando todos los ángulos de pitch, la mayor disminución en sustentación ocurre al utilizar una deflexión positiva para un ángulo de pitch de 12°, disminuyéndola un 113 %, mientras que el mayor aumento en sustentación ocurre al utilizar la deflexión negativa para un ángulo de pitch de 12°, aumentándola un 123 %. La mayor disminución en arrastre ocurre al utilizar la deflexión positiva para un ángulo de pitch de 0°, disminuyéndola un 12 %, mientras que el mayor aumento en arrastre ocurre al utilizar la deflexión negativa para un ángulo de pitch de 0°, aumentándola un 77 %. Finalmente, la mayor disminución en la relación sustentación-arrastre ocurre al utilizar la deflexión positiva para un ángulo de pitch de 6°, disminuyéndola un 84 %, mientras que el mayor aumento en la relación sustentación-arrastre ocurre al utilizar la deflexión negativa para un ángulo de pitch de 12°, aumentándola un 121 %. De manera global, la mayor disminución en sustentación ocurre entre las deflexiones nula y positiva para un ángulo de pitch de 12°, disminuyendo un 113 %, mientras que el mayor aumento en sustentación ocurre entre las deflexiones nula y negativa para un ángulo de pitch de 12°, aumentando un 123 %. Por otro lado, la mayor disminución en arrastre ocurre entre las deflexiones nula y positiva para un ángulo de pitch de 0°, disminuyendo un 12 %, mientras que el mayor aumento en arrastre ocurre entre las deflexiones nula y negativa para un ángulo de pitch de 0°, aumentando un 77 %. Finalmente, la mayor disminución en la relación sustentación-arrastre ocurre entre las deflexiones nula y positiva para un ángulo de pitch de 6°, disminuyendo un 84 %, mientras que el mayor aumento en la relación sustentación-arrastre ocurre entre las deflexiones nula y negativa para un ángulo de pitch de 12°, aumentando un 121 %. De manera global, con respecto al coeficiente de sustentación, se observó que la deflexión negativa produjo los mayores valores para todos los ángulos de pitch estudiados, mientras que la deflexión positiva es la que presenta los valores más bajos. En cuanto al coeficiente de arrastre, la deflexión positiva es la que produce menor arrastre para un ángulo de pitch de 0°, mientras que para los ángulos de 6° y 12° la deflexión nula es la que tiene menores valores de arrastre. Los mayores valores de arrastre para los ángulos de pitch de 0° y 6° se obtienen con la deflexión negativa, mientras que para un ángulo de pitch 12° los mayores valores corresponden a la deflexión positiva. También se presenta la relación entre la sustentación y el arrastre, de la que se concluye que para un ángulo de pitch de 0° la deflexión nula es la óptima, mientras que para los ángulos de pitch de 6° y 12° la deflexión negativa es la óptima. Con respecto al código tridimensional, en la validación se encontró que los resultados se asemejaron de buena manera a los resultados expuestos por estudios presentados, teniendo pequeñas diferencias debido a la falta del CAD original, el cual se tuvo que recrear mediante Inventor considerando algunas simplificaciones, y al refinamiento de la malla utilizada, la que cuenta con 789.359 celdas, ya que si se refinaba aún más, los tiempos de simulación serían demasiado largos. Al comparar turbinas con perfiles S826 y NACA0012, se observó que la turbina con perfil NACA0012 genera una estela más ancha y con velocidades más bajas en distancias cercanas, mientras que la turbina con perfil S826 tenía una estela que se extendía más lejos en el mismo período de tiempo. En las simulaciones del caso de estudio con implementación de tecnología FishBAC en una turbina con perfil NACA0012, se observó que el tiempo de ejecución varió significativamente según el ángulo de pitch, siendo de 15 días para 0°, 17 días para 6°, y 34 días para 12°. En cuanto a los resultados, para un ángulo de pitch de 0°, las deflexiones nula y negativa generaron estelas amplias con influencia en el viento alrededor de la estela, mientras que la deflexión positiva produjo una estela más estrecha y alargada, con mayor influencia en zonas distantes. Para un ángulo de pitch de 6°, cada deflexión se comportó de manera distinta. La deflexión negativa creó una estela ancha y corta con valores menores de velocidad en la estela, pero con mayor influencia en el viento alrededor de la estela. Por otro lado, la deflexión positiva generó una estela más estrecha y con menor perturbación del viento exterior, pero con una mayor influencia en las zonas de estela lejana. En el caso de un ángulo de pitch de 12°, la deflexión negativa produjo la estela más ancha y alargada, con la menor perturbación en el viento circundante pero con la mayor perturbación en zonas de estela lejana. Por el contrario, la deflexión positiva generó una estela más corta y angosta, con una influencia limitada en las zonas de estela lejana y una mayor influencia en el viento alrededor de la estela.