Diseño aerodinámico y propuestas constructivas de un aerogenerador de baja potencia

Abstract

La energía eólica ha experimentado grandes avances tecnológicos en los últimos años, el mercado eléctrico asociado a la generación eólica también ha aumentado significativamente, abarcando desde grandes industrias a usos domésticos. Muchos pequeños usuarios que se encuentran fuera del alcance de centros de distribución energética presentan la necesidad de adquirir sus propios medios de generación para suplir el consumo básico energético. Para esto una posibilidad es recurrir a la generación eólica, siendo utilizadas turbinas de baja potencia. En este trabajo, se evalúan posibles alternativas de diseño y construcción de una pequeña turbina de viento (Small Wind Turbine o SWT). Existen diferentes criterios para definir el rango de las SWT, en ocasiones se mencionan a turbinas de hasta 2 kW, aunque para la asociación canadiense de energía eólica el rango es hasta 300 kW. Para la Comisión electrotécnica internacional (IEC), SWT son aquellas turbinas que poseen un área barrida menor a 200 m2. En este trabajo, nos referimos a las turbinas definidas con el primer concepto de “pequeña turbina eólica”. Existe gran cantidad de metodologías de diseño para turbinas de baja potencia, incluso, para las muy pequeñas, existen ábacos o “recetas” que permiten obtener un diseño con un aceptable balance entre prestaciones y sencillez constructiva. En este trabajo se optó por seguir metodologías que mejoren las prestaciones para tratar de optimizar el diseño. Habitualmente, se diseñan los rotores de eje horizontal buscando un diseño óptimo para ciertas condiciones de viento, pero esto hace que el par de arranque sea muy bajo por lo que se debe verificar si es capaz de vencer las resistencias mecánicas internas y tener un tiempo de arranque razonablemente corto, en caso de no ser así, se modifica la geometría del rotor para lograr un adecuado par de arranque aún con algo de pérdida de eficiencia a velocidad de giro nominal. Este concepto se desarrolla en este trabajo planteando una variación en el diseño del álabe utilizando métodos evolutivos manteniendo un rotor simple de ángulo de paso fijo. Adicionalmente, también se plantea la posibilidad de agregar un mecanismo capaz de cambiar el ángulo de paso de los álabes, solución que es usual en las grandes turbinas tanto para arrancar como para optimizar las prestaciones durante el uso y para sacar de servicio la máquina en caso de vientos excesivamente fuertes. Se analizarán métodos de fabricación de álabes pequeños que permitan reproducir las características geométricas de diseño como perfil aerodinámico, variación de cuerda y torsión de manera aceptablemente precisa.