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CONTENIDO
1.8 VARIABLES DEL RECURSO EOLICO PARA LAS TURBINAS
EOLICAS 3.2 MATRIZ DE SELECCIÓN DE LA PEQUEÑAS TURBINAS EÓLICAS
- INTRODUCCIÓN pág.
- OBJETIVOS
- FUNDAMENTOS TEÓRICOS
- 1.1 COLOMBIA T LAS ENERGÍAS RENOVABLES
- 1.2 ZONAS NO INTERCONECTADAS (ZNI)
- 1.3 ENERGÍAS RENOVABLES
- 1.4 ENERGÍA EÓLICA
- 1.5 TIPOS DE ENERGÍA EÓLICA
- 1.6 RECURSO EÓLICO
- 1.7 TURBINAS EÓLICAS
- 1.7.1 Turbinas de eje vertical (VAWT)
- 1.7.2 Turbinas de eje horizontal (HAWT)
- 1.9 MATERIALES EN PEQUEÑAS TURBINAS EOLICAS
- 1.10 MODELAMIENTO Y SIMULACION COMPUTACIONAL
- 1.10.1 Módulo de fluidos
- 1.10.2 Módulo estructural
- 1.10.3 Interacción fluido ± estructura (FSI)
- 1.11 CRITERIO DE FALLA
- SELECCIÓN DE LA ZONA
- 2.1 ZONAS NO INTERCONECTADAS
- 2.2 POTENCIAL EÓLICO
- 2.3 SELECCIÓN DE LA ZONA
- 2.4 DEPARTAMENTO DE NARIÑO
- SELECCIÓN DE LA TURBINA
- 3.1 SELECCIÓN DE LA TURBINA
- 3.3 TURBINA ESPIRAL
- 3.4 TURBINA TIPO H
- MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN
- 4.1 MÓDULO DE FLUIDOS
- 4.1.1 Condiciones de frontera
- 4.1.2 Volumen de control
- 4.1.3 Independencia de malla
4.1.4 Simulación de flujo de aire 67 4.1.5 Presión del flujo de aire 69 4.2 MÓDULO ESTRUCTURAL 71 4.2.1 Independencia de malla en la turbina espiral 71 4.2.2 Independencia de malla en la turbina tipo H 75 4.2.3 Cargas estructurales 79 4.2.4 Criterios de falla 82
- MATERIALES CONVENCIONALES 87 5.1 MATERIAL DE LA TURBINA TIPO ESPIRAL ± MATERIAL COMPUESTO DE FIBRA DE BASALTO Y MATRIZ EPÓXICA
5.2 MATERIAL DE LA TURBINA TIPO H ± ALUMINIO 7075 92
6. MATERIALES ALTERNOS 95
6.1 POLICARBONATO 95
6.1.1 Policarbonato en la turbina espiral 96 6.1.2 Policarbonato en la turbina tipo H 97 6.2 GUADUA ANGUSTIFOLIA KUNTH 99 6.2.1 Guadua laminada en la turbina espiral con disposición de fibras radial
6.2.2 Guadua laminada en la turbina espiral con disposición de fibras paralela a la punta de la pala
6.2.3 Guadua laminada en la turbina tipo H con disposición de fibras longitudinal
6.2.4 Guadua laminada en la turbina tipo H con disposición de fibras transversal
7. ANÁLISIS DE RESULTADOS 111
7.1 ANÁLISIS DE RESULTADOS EN LA TURBINA ESPIRAL 111
7.2 ANÁLISIS DE RESULTADOS EN LA TURBINA TIPO H 112
8. CONCLUSIONES 114
9. RECOMENDACIONES 115
BIBLIOGRAFÍA 116
ANEXOS 121
Figura 38. Criterio de falla para el material convencional de la turbina espiral.
Figura 39. Desplazamiento del material convencional de la turbina espiral. 91 Figura 40. Deformación del material convencional de la turbina espiral. 91 Figura 41. Criterio de falla para el material convencional en la turbina tipo H. 93 Figura 42. Desplazamiento del material convencional en la turbina tipo H. 93 Figura 43. Deformación del material convencional en la turbina tipo H. 94 Figura 44. Criterio de falla del policarbonato en la turbina espiral. 96 Figura 45. Desplazamiento del policarbonato en la turbina espiral. 97 Figura 46. Deformación del policarbonato en la turbina espiral. 97 Figura 47. Criterio de falla del policarbonato en la turbina tipo H. 98 Figura 48. Desplazamiento del policarbonato en la turbina tipo H. 98 Figura 49. Deformación del policarbonato en la turbina tipo H. 99 Figura 50. Orientaciones de las fibras de la guadua en la turbina tipo espiral. 101 Figura 51. Orientaciones de las fibras de la guadua en la turbina tipo H. 102 Figura 52. Criterio de falla de la guadua laminada en la turbina espiral con disposición de fibras radial.
Figura 53. Desplazamiento de la guadua laminada en la turbina espiral con disposición de fibras radial.
Figura 54. Deformación de la guadua laminada en la turbina espiral con disposición de fibras radial.
Figura 55. Criterio de falla de la guadua laminada en la turbina espiral con disposición de fibras paralela a la punta de la pala.
Figura 56. Desplazamiento de la guadua laminada en la turbina espiral con disposición de fibras paralela a la punta de la pala.
Figura 57. Deformación de la guadua laminada en la turbina espiral con disposición de fibras paralela a la punta de la pala.
Figura 58. Criterio de falla de la guadua laminada en la turbina tipo H con disposición de fibras longitudinal. 107 Figura 59. Desplazamiento de la guadua laminada en la turbina tipo H con disposición de fibras longitudinal.
Figura 60. Deformación de la guadua laminada en la turbina tipo H con disposición de fibras longitudinal.
Figura 61. Criterio de falla de la guadua laminada en la turbina tipo H con disposición de fibras transversal.
Figura 62. Desplazamiento de la guadua laminada en la turbina tipo H con disposición de fibras transversal.
Figura 63. Deformación de la guadua laminada en la turbina tipo H con disposición de fibras transversal. 110 Figura 64. Guadua contrachapada con láminas ortogonales. 115
LISTA DE GRÁFICAS
pág.
Gráfica 1. Desempeño de turbinas eólicas convencionales. 32 Gráfica 2. Velocidad promedio del viento durante el día. 46 Gráfica 3. Velocidad promedio del viento durante el año. 46 Gráfica 4. Velocidad promedio anual del viento. 47 Gráfica 5. Coeficiente de potencia de la turbina tipo H. 58 Gráfica 6. Coeficiente de potencia de la turbina espiral. 58 Gráfica 7. Convergencia de las presiones máximas positivas y negativas para cada refinamiento de la turbina espiral.
Gráfica 8. Convergencia de las presiones máximas positivas y negativas para cada refinamiento de la turbina tipo H.
Gráfica 9. Convergencia histórica de la presión estática y del error de aproximación turbina espiral.
Gráfica 10. Convergencia histórica de la presión estática y del error de aproximación turbina tipo H.
Gráfica 11. Convergencia de carga máxima para cada refinamiento en la turbina espiral.
Gráfica12. Convergencia de desplazamiento máximo para cada refinamiento en la turbina espiral.
Gráfica13. Convergencia de esfuerzo equivalente máximo para cada refinamiento de la turbina espiral.
Gráfica 14. Convergencia de carga máxima para cada refinamiento en la turbina tipo H.
Gráfica15. Convergencia de desplazamiento para cada refinamiento en la turbina tipo H.
Gráfica16. Convergencia de esfuerzo equivalente máximo para cada refinamiento en la turbina espiral. 79
GLOSARIO
CRITERIOS DE FALLA: es el modelo matemático que establece si algún material presenta falla, comparando los esfuerzos a los que está sometido con sus propiedades mecánicas.
DEFORMACIÓN: cambio porcentual de la forma que tiene un elemento con respecto a la forma inicial bajo una carga.
DESPLAZAMIENTO: es la diferencia entre la posición final e inicial de un elemento sometido a una carga.
INDEPENDENCIA DE MALLA: es el proceso por el cual se garantiza que la malla de trabajo es independiente a los resultados.
INTERACCIÓN FLUIDO ESTRUCTURA: es la transferencia de los resultados desde el análisis del fluido al análisis estructural.
MATERIALES CONVENCIONALES: aquellos materiales con los que se fabrican las turbinas eólicas por especificaciones de diseño y de la compañía fabricante.
MATERIALES ALTERNOS: aquellas alternativas de materiales que podrían sustituir al material convencional según el lugar de operación de la turbina eólica.
PEQUEÑAS TURBINAS EÓLICAS: son las turbinas eólicas que tienen capacidad de generación menor a 100 kW o presentan un diámetro menor a 19 metros.
1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS
En el presente capitulo se encontrará la terminología básica apropiada para la compresión del desarrollo del proyecto.
1.1 COLOMBIA Y LAS ENERGÍAS RENOVABLES
En Colombia, la integración de las energías renovables en la matriz energética está regulada por la ley 1715 de 2014. Algunas de las finalidades de esta ley es incentivar la penetración de las fuentes no convencionales de energía, estimular la inversión, la investigación y el desarrollo para la producción y utilización de energía a partir de fuentes no convencionales de energía, entre otras^7.
³/H\1R± 13 Mayo de 2014 por medio de la cual se regula la integración de las energías renovables no convencionales al sistema energético nacional´^8 , esta ley no solamente regula la inclusión de las energías renovables en la matriz energética colombiana, sino que además y como se aclara en el artículo primero, tiene como objeto promover el desarrollo y la utilización de las fuentes no convencionales de energía, integración al mercado eléctrico, su participación en las zonas no interconectadas, entre otras.
1.2 ZONAS NO INTERCONECTADAS (ZNI)
Según la ley 855 de 2003, se define ZRQDV1R,QWHUFRQHFWDGDVFRPR ³Sara todos los efectos relacionados con la prestación del servicio público de energía eléctrica se entiende por Zonas No Interconectadas a los municipios, corregimientos, ORFDOLGDGHV\FDVHUtRVQRFRQHFWDGRVDO6LVWHPD,QWHUFRQHFWDGR1DFLRQDO6,1´^9. Esto implica que estas zonas deben generar su propia energía a partir de formas de generación convencionales o de energías renovables.
1.3 ENERGÍAS RENOVABLES
Se define como fuentes de energías renovables a todas aquellas que se consideran limpias y que no generan desechos, siendo así las de mayor desarrollo la energía solar, energía eólica, energía hidráulica entre otras. Como se muestra en la figura 1 este tipo de energías representan el 22,8% de la generación global de energía eléctrica^10.
(^7) COLOMBIA. CONGRESO DE LA REPÚBLICA. Ley 1715. (13, mayo, 2014). Por medio de la cual se regula la integración de las energías renovables no convencionales al sistema energético nacional. Diario Oficial. Bogotá, D.C., 1993. no. 49.150. p. 2. (^8) Ibíd., p. 1. (^9) COLOMBIA. CONGRESO DE LA REPÚBLICA. Ley 855. (18, diciembre, 2003). Por la cual se definen las Zonas No Interconectadas. Diario Oficial. Bogotá D.C., 1993. no. 45.405. (^10) REN21. Global Status Report. Francia: Paris - REN21 secretariat, 2015, p.20.
1.5 TIPOS DE ENERGÍA EÓLICA
La energía eólica presenta un amplio rango de capacidad de generación de energía eléctrica, variando desde los 400 W hasta los 7.5 MW^12. Existen cuatro escalas según su rango de generación y el diámetro del rotor^13.
Tabla 1. Clasificación de los tipos de energía eólica.
Escala Diámetro del Rotor (m)
Clasificación de potencia Micro Menos de 3 m Entre 50 W a 2 kW Pequeña Entre 3 m a 12 m Entre 2 kW a 40 kW Mediana Entre 12 m a 45 m Entre 40 kW a 999 kW Grande Mayor a 46 m Más de 1 MW
Fuente. PRACTICAL ACTION. Wind Power Generation.
1.6 RECURSO EÓLICO
Es la energía del viento en una zona determinada, caracterizada por su geografía y topografía, para ser aprovechada en la generación de energía eléctrica.
El viento se define como el movimiento de las masas de aire en respuesta a los diferenciales de presión presentes en la atmosfera. Estos diferenciales de presión son producto del calor generado por el sol según el movimiento rotacional de la tierra^14 , figura 3.
Figura 3. Generación del viento en la atmosfera.
Fuente. BREEZE, Paul. Power Generation Technologies.
(^12) KALOGIROU, Soteris A. Solar Energy Engineering Processes and Systems: 13.3. Wind Turbines (Second Edition). Reino Unido: Elsevier, 2014. p. 752. (^13) PRACTICAL ACTION. Wind Power Generation. United Kingdom: Practial action, 2012. p. 2. (^14) BREEZE, Paul. Power Generation Technologies. Elsevier, 2014. p. 224.
Existen fenómenos que caracterizan el comportamiento del viento; entre los cuales se encuentran^15 :
x La fuerza de Coriolis: es la causante de la desviación del viento a lo largo de la superficie terrestre y en dirección a los cinturones de presión.
x Los cinturones de presión: son zonas de circulación de las masas de aire con respecto a los cambios de temperatura que se producen por el calentamiento irregular de la tierra.
x El viento geostrófico: es la combinación de la aceleración natural del viento dada por los cinturones de presión del hemisferio norte con la aceleración dada por la fuerza de Coriolis, generando una velocidad resultante paralela a las isobaras y que se encuentra a una altura de 1000 m.
x Los vientos locales: son corrientes de aire generadas por los cambios de temperatura en las superficies, marítimas y terrestres, a lo largo del día. Estos fenómenos ocurren principalmente en regiones costeras y montañosas.
x Orografía del terreno: el estudio del relieve del terreno tiene una incidencia directa sobre la velocidad del viento. Es con respecto a los accidentes orográficos que el viento puede presentar buena fluidez o discontinuidades como se señala con la figura 4.
Figura 4. Viento según la orografía del terreno.
Fuente. CREUS SOLÉ, Antonio. Aerogeneradores.
(^15) CREUS SOLÉ, ANTONIO. Aerogeneradores. Cano Pina, 2000. p. 40.
Figura 6. Tipos de pequeñas turbinas eólicas.
Fuente. KALOGIROU, Soteris A. Solar Energy Engineering Processes and Systems.
Este tipo de turbinas tienen una buena eficiencia aunque producen grandes fluctuaciones de torque en la torre, lo que las hace poco fiables. El par de arranque es muy bajo, por lo cual se hacen modelos híbridos con turbinas de tipo Savonius para compensar esta desventaja, figura 7; otra manera de mejorar el arranque es aumentar el número de palas^22.
x Tipo Savonius: fue inventada por el ingeniero finlandés S. J. Savonius en 1922. La turbina de eje vertical tipo Savonius cuenta con una disposición del rotor de tipo arrastre que está conformada por más de dos palas semejantes a una cuchara o cáscaras semiesféricas, formando en su configuración más simple XQD³6´FRPRVHPXHVWUDHQODILJXUD 6(b). El diferencial de arrastre en las palas hace que la turbina gire, sin embargo, que el rotor sea de tipo arrastre hace que se extraiga mucho menos la energía del viento^23.
Se han planteado alternativas de diseño para mejorar la eficiencia de este tipo de turbina, una de ellas es disponer más palas una sobre otra y no paralelas entre sí^24 ; otra alternativa es el diseño de un rotor de palas helicoidales para obtener un torque más suave; además se han fabricado turbinas hibridas entre Darrieus y Savonius, figura 7, aprovechando las ventajas de ambas turbinas^25.
(^22) EL BASSAM. Op. cit., p.116. (^23) KALOGIROU. Op. cit., p. 754 ± 755. (^24) Ibíd., p. 754. (^25) EL BASSAM. Op. cit., p.116.
sustentación y arrastre. Este fenómeno esta descrito por el modelo matemático que define energía cinética como^32 :
Ecuación 1. Energía cinética.
ܧ ൌ
ͳ ݉ʹ
Donde:
ܧ ൌEnergía cinética. ݉ ൌ Masa del fluido que atraviesa el rotor. ൌ ݒVelocidad.
El rotor describe un área de barrido por donde se desplaza un volumen de aire por unidad de tiempo, de tal forma la masa se puede expresar de la siguiente manera^33 :
Ecuación 2. Masa expresada en términos de volumen del viento y área de barrido.
݉ ݐοܣݒߩ ൌ
Donde:
ൌ ߩ Densidad. ൌ ܣ Área de barrido del rotor. ൌ ݐο Diferencial de tiempo.
Al sustituir la ecuación 2 en la ecuación 1, se obtiene:
Ecuación 3. Energía cinética en términos de la masa en la ecuación 2.
ͳ ʹ
ݒݐοݒܣߩ ଶ
Dividiendo la ecuación por la unidad de tiempo se obtiene:
Ecuación 4. Potencia extraíble del viento.
ܲ ൌ
ͳ ʹ
Donde:
ܲ ൌ Potencia extraíble del viento.
La potencia extraíble del viento es la potencia ideal para cualquier tipo de turbina, esto quiere decir que no se contempla la eficiencia de cada tipo de turbina.
Teniendo en cuenta el coeficiente de potencia se obtiene:
(^32) SERWAY, Raymond A. JEWETT, John W. Física para ciencias e ingeniería. CENGAGE Learning,
- p. 147. (^33) PRAMOD, Jain. Wind Energy Engineering. The McGraw-Hill Companies, Inc., 2011.
cambio en esta velocidad representa una alteración significativa en la potencia tanto extraíble como captada^34.
x Velocidad del viento: se presenta por los cambios de temperatura que genera el calentamiento del sol sobre la superficie de la tierra a medida que esta gira, produciendo cambios en la densidad del aire que hace que el volumen de aire se desplace^35.
x Densidad: se define como la masa por unidad de volumen. Aunque esta puede ser homogénea, depende de factores externos que la modifican como la temperatura, la presión, entre otros^36. En cuanto al recurso eólico el cambio de temperatura es inversamente proporcional a la densidad. Si el aire se calienta su densidad disminuye expandiéndose y moviéndose por encima de los vientos fríos y más densos^37.
x Área de barrido: el área de barrido se define como el área que describe cualquier turbina eólica en movimiento y por donde se desplaza el viento, y se expresa según la figura geométrica que describe.
1.9 MATERIALES EN PEQUEÑAS TURBINAS EÓLICAS
Las palas de la turbina son las encargadas de convertir la energía cinética del viento en la fuerza que actúa finalmente en el generador. De esta manera son estas mismas las que soportan las fuerzas de la naturaleza como el viento, los cambios extremos de temperatura, la radiación solar, la erosión y los terremotos^38.
La mayoría de las pequeñas turbinas eólicas se construyen en materiales compuestos con propiedades mecánicas especiales que presentan una buena respuesta a las cargas de fatiga y se adaptan mejor a la geometría aerodinámica de las palas^39.
Estos materiales compuestos se constituyen de una matriz, un refuerzo y la interfaz, que actúa como adhesivo entre la matriz y el refuerzo. Usualmente se trabaja con materiales termoestables en la matriz como lo son la resina epoxi, polyester y vinyl
(^34) STAUDT, Lawrence. Future Energy ± Improved, Sustainable and Clean Options for Our Planet: Chapter 6 ± Wind Energy. ELSEVIER, 2008. p. 99. (^35) BREEZE, Paul. Op. cit. (^36) HUGHES, Thomas A. Measurement and Control Basics. ISA, 2015. p. 253. (^37) BUN-CA. Manual sobre energía renovable ± Eólica. 2002. p. 6. (^38) BRØNDSTED, Povl y NIJSSEN, Rogier P. 2. Loads on Wind Turbines Blades. En: Advances in Wind Turbine Blade Design and Materials. Cambridge: Woodhead Publishing, 2013. (^39) Ibíd., 6. Fatigue as a Design Driver for Composite Wind Turbine Blades.
éster; con refuerzos de fibra de vidrio, fibra de carbono^40 y algunas veces un híbrido como se muestra en la figura 9.
Figura 9. Construcción y fusión de las dos mitades de una pala de una turbina eólica.
Fuente. KEGL, Breda y PEHAN, Stanislav. Small Wind Turbine Rotor Design.
Las palas de las pequeñas turbinas eólicas tienen características semejantes a las palas de las turbinas eólicas a gran escala, su diferencia consiste en dos características principales: la primera es que las pequeñas turbinas eólicas experimentan una mayor fuerza centrífuga por lo cual están expuestas a fallas por fatiga, y la segunda es que estas necesitan perfiles aerodinámicos más pequeños cerca del eje^41.
Cabe aclarar que se hace referencia a lo largo del documento como materiales convencionales a aquellos con los que se fabrican por especificaciones de diseño las turbinas eólicas, y materiales alternos a aquellas alternativas de materiales que se presentan para la fabricación de las mismas turbinas eólicas.
1.10 MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN COMPUTACIONAL
Debido a que la investigación se centra en el modelamiento y simulación del fenómeno al cual está sometido una turbina eólica, es necesario disponer de una herramienta o software computacional que disponga de un análisis de fluidos y análisis estructural para posteriormente hacer la relación entre ambos análisis, de donde se extraerán las presiones ejercidas por el viento sobre la superficie de la
(^40) KEGL, Breda y PEHAN, Stanislav. Small Wind Turbine Rotor Design. Trans Tech Publ, 2015. p. 197 - 202. (^41) BRØNDSTED, Povl y NIJSSEN, Rogier P. Op. cit., 6. Fatigue as a Design Driver for Composite Wind Turbine Blades.
comparar los efectos de los estados de esfuerzo del material^47. Siendo así y de manera general, el criterio de falla se define como un modelo matemático que compara los esfuerzos principales a los que está sometido el material con respecto a sus propiedades mecánicas, estableciendo si el material presenta alguna falla o responde a las cargas a las que está sometido. Cabe aclarar que al usar el criterio de falla se determina si el material falla o no, pero no en que forma lo hace, es decir, no se establece el mecanismo o el modo en que falla^48.
(^47) BEER, Ferdinand P. JOHNSTON, E. Russell. DEWOLF, John T. y MAZUREK, David F. Mecánica de Materiales. Traducido por Jesús Elmer Murrieta Murrieta. 5 ed. Bogotá D.C.: McGraw-Hill, 2010. p. 451-452. ISBN-13: 978- 607 - 15 - 0263 - 6. (^48) ROMERO, Ignacio. Introducción a la mecánica de solidos deformables. Madrid: Universidad Politécnica de Madrid, 2014. p. 110.
2. SELECCIÓN DE LA ZONA
La intención de este proyecto fue presentar una alternativa de solución energética centrándose en las Zonas No Interconectadas (ZNI). Algunas de estas presentaron un recurso eólico favorable debido a que están presentes en zonas costeras, llanuras, y con geografías de circulación de vientos.
2.1 ZONAS NO INTERCONECTADAS
El 52% del territorio colombiano se encuentra no interconectado al SIN, esto contempla 32 departamentos, 5 capitales, 39 cabeceras municipales, 90 municipios y 20 territorios especiales biodiversos y fronterizos^49. Frente a esto se destacan los departamentos del Nariño, Choco y Cauca, que presentan la mayor cantidad de localidades no interconectadas, como se muestra en la tabla 2.
Tabla 2. Localidades en los departamentos de las ZNI.
No. Departamentos Localidades 1 Amazonas 61 2 Antioquia 43 3 Archipiélago de San Andrés, Providencia y Santa Catalina
4 Bolívar 2 5 Caquetá 47 6 Casanare 3 7 Cauca 128 8 Chocó 307 9 Guainía 73 10 Guaviare 34 11 La Guajira 2 12 Meta 36 13 Nariño 552 14 Putumayo 35 15 Valle del Cauca 33 16 Vaupés 54 17 Vichada 36
Fuente. IPSE. Soluciones Energéticas para las ZNI de Colombia. 2014.
(^49) INSTITUTO DE PLANIFICACIÓN Y PROMOCIÓN DE SOLUCIONES ENERGÉTICAS PARA LAS ZNI (IPSE). Soluciones Energéticas para las Zonas no Interconectadas de Colombia. [diapositivas]. Bogotá D.C.: IPSE, 2014. 57 diapositivas. Diapositiva 8.
