Aceleración de corrientes eólicas de reducidad velocidad para la generación eléctrica doméstica

Resumen

En los últimos años, los sistemas que utilizan como fuente recursos renovables se han posicionado como una interesante alternativa para la producción de energía. Entre las fuentes disponibles, la energía eólica viene configurándose como una de las fuentes de energía renovable con mayor crecimiento en los últimos años, copando gran parte de la inversión destinada a proyectos de investigación, desarrollo e innovación. Estos proyectos se puede desglosar en dos vías principales de investigación: La primera vía engloba aquellos trabajos destinados a optimizar el rendimiento particular de determinados componentes integrantes del sistema mecánico. Este grupo comprende investigaciones dedicadas al desarrollo de perfiles aerodinámicos, mejoras en la conversión de la energía eólica en eléctrica, desarrollo de nuevos materiales para el diseño estructural, etc. La segunda vía engloba el tratamiento de la circulación eólica, con el objeto de mejorar las características del viento antes de que se produzca la incidencia en las palas de la turbina. Dentro de esta vía destacan los sistemas de concentración eólica, gracias a la mejora que se produce en el rendimiento de la turbina sobre la cual se incorpora. Este potencial se fundamenta en la función cúbica que rige en la velocidad eólica en relación a la hora de determinar de la potencia eólica disponible. La incorporación del sistema de concentración eólica aumenta el rendimiento potencial y el tiempo de funcio-namiento en comparación al ejercicio libre de las pequeñas turbinas eólicas. Este resultado amplía el alcance de implantación geográfica de estos sistemas de producción energética. Hasta la fecha son varios los prototipos desarrollados sobre turbinas de eje horizontal, inspirados en el modelo inicial de R. Oman y K. Foreman materializado a finales de los años setenta. Entre estos diseños destacan las distintas investigaciones de Y. Ohya y T. Karasudani, encaminadas por un lado a mejorar la captación de flujo eólico, y por otro, disminuir la sección longitudinal del sistema resultante. En el caso de sistemas de concentración eólica para turbinas de eje vertical son muy escasos los diseños desarrollados. Recientemente, R. Nobile et al. presentaron un prototipo compuesto por ocho secciones modelo NACA 0018 erigidas perpendicularmente sobre un anillo con superficie inclinada circunscribiendo la turbina de eje vertical. Otro modelo reciente es el desarrollado por W.T. Chong, incorporando además un sistema para la reutilización del agua pluvial. En ambos casos, estos sistemas han sido diseñados para su incorporación directa sobre la cubierta de edificios de gran altura. En este trabajo se propone el aprovechamiento de las corrientes eólicas circulantes sobre la superficie terrestre para la producción de electricidad con el fin de abastecer buena parte de la demanda en viviendas aisladas, pequeñas instalaciones agropecuarias, equipamiento de servicio ubicado en lugares remotos, etc. Por lo general estas brisas tienen una baja densidad energética, por ello proponemos una interfaz mecánica que concentre las masas de aire, acelerando su circulación y alcanzando importantes incrementos en la velocidad de impulsión. La primera parte se centra en la elaboración de un procedimiento de caracterización a partir de la metodología científica con el cual modelar una estructura concentradora de flujo eólico válida para un aerogenerador de eje vertical. Este método trata el diseño de un elemento acelerador capaz de optimizar el aprovechamiento de estas brisas con independencia de la dirección de éstas. Su diseño viene dado por la resolución de un conjunto de objetivos fundamentales, dotando al sistema de unas prestaciones particulares en relación a su arquitectura y operatividad. Estos objetivos son los siguientes: - Operatividad ante cualquier dirección eólica adoptada - Incremento del rendimiento potencial de la turbina de eje vertical - Minimizar el desarrollo de efectos turbulentos alrededor del sistema integrado - Capacidad resolutiva ante la presencia de fuertes vientos - Estabilidad estructural - Compatibilidad ante instalaciones propias del volumen arquitectónico - Control global del rendimiento del sistema La segunda parte aborda el modelado del prototipo y el análisis de su comportamiento mediante simulaciones en el ámbito de la fluidodinámica computacional. El resultado es un prototipo caracterizado por una arquitectura capaz de sectorizar la entrada de viento en diferentes tramos inyectando el flujo eólico estratégicamente. La incorporación de la interfaz sobre el rotor aumenta la superficie de captación eólica, facilitando su entrada a través de las diferentes aberturas y llevando a cabo su concentración según avanza por los tramo de circulación. Una vez finalizado dicho avance, el flujo es inyectado en un rango angular definido por la elevada fuerza de sustentación capaz de generarse gracias a la incidencia del flujo eólico, aprovechando las particularidades que ofrece la rotación de este tipo de rotores. El resultado de la inyección sectorizada es el desarrollo de una circulación interior vorticial que incide permanentemente en el rango de sustentación característico del perfil aerodinámico que define la geometría de la pala de rotación. Ello provoca que se alcance un funcionamiento nominal a velocidades reducidas. En este proceso se incluyen las acciones necesarias para dar una respuesta eficiente a cualquier tipo de solicitación eólica. En presencia de velocidades de relativa importancia, la interfaz concentradora adapta su arquitectura con el fin de regular la entrada de flujo, retrasando la activación de los dispositivos reguladores propios de la turbina eólica. En presencia de vientos importantes, la interfaz dispone de los mecanismos necesarios para proceder al cierre de las aberturas procediendo a la parada del rotor. La validación de los prototipos elaborados se ha llevado a cabo mediante simulación computacional CFD. Conclusiones: Los resultados confirman la consecución de un funcionamiento nominal a velocidades más reducidas, una mayor superficie de captación y periodo de tiempo de funcionamiento efectivo en comparación a las turbinas convencionales. Para el caso práctico modelado los resultados mejoran en más de 2.5 veces la potencia generada y multiplican por cuatro la fuerza ejercida sobre las palas de la turbina. La elaboración de un método preciso para el diseño de este tipo de estructuras concentradoras posibilita que se pueda alcanzar un diseño en función a las necesidades del usuario, o las condiciones eólicas de un emplazamiento dado. A ello hay que unir su compatibilidad de uso y montaje con sistemas de captación solar, conformando un sistema híbrido capaz de aprovechar tanto la energía solar como eólica para el abastecimiento autónomo. Esta característica incrementa el ratio de zonas geográficas donde se puede llevar a cabo su implantación. Las últimas páginas están reservadas a esbozar las lineas futuras de desarrollo y evolución, tanto en términos de eficiencia productiva como en su incorporación a nuevos volúmenes arquitectónicos y estructuras civiles en general.