Diseño de generadores eólicos de eje vertical de baja potencia

Abstract

En este informe detallamos los avances realizados en el estudio del comportamiento de turbinas eólicas de eje vertical (VAWT) de pequeña escala. Nos enfocamos en los VAWT de palas híbridas, analizando en particular su capacidad de autoarranque. Realizamos simulaciones numéricas para comprobar la capacidad del modelo de turbulencia Shear Stress Transport (SST) para reproducir la respuesta bidimensional de un generador híbrido con perfiles alares NACA 0012 y NACA 0018, durante la fase de arranque. Usando el programa OpenFOAM, comprobamos que el modelo tiene dificultades para determinar los coeficientes aerodinámicos de los perfiles alares para ángulos de ataque altos. Logramos identificar las areas de la rotación donde la predicción de los coeficientes deja de ser confiable y evaluamos de manera cualitativa el arranque del generador. Verificamos estos resultados experimentalmente con un generador híbrido que construimos con materiales compuestos. Describimos el proceso de fabricación de dicho generador en detalle. Por último, realizamos simulaciones numéricas unidimensionales para evaluar el uso de perfiles alares no simétricos en las palas de un VAWT. Usamos el software QBlade para realizar las simulaciones, las cuales demostraron que el uso de perfiles no simétricos es posible y podría ser una alternativa viable para el diseño de VAWT.

In this document we detailed the progress made in the study of the performance of small scale Vertical Axis Wind Turbines (VAWT). We focused in hybrid VAWT and analyzed their self-starting capabilities. We performed numeric simulations to test how the Shear Stress Transport turbulence model reproduces the bi-dimensional behavior of a hybrid VAWT with symmetric NACA 0012 and 0018 airfoils during the start stage. Using OpenFOAM, we concluded that the model has difficulties predicting the aerodynamic coefficients of the airfoils for high angles of attack. We managed to identify in which areas these errors occurred and performed a qualitative analysis of the start of a VAWT. We checked some of these results with a hybrid VAWT that we constructed with composite materials. We describe the manufacturing process of the wind turbine in detail. Finally, we performed numeric one-dimensional simulations to evaluate the performance of asymmetric airfoils on VAWTs. Using QBlade, the results prove that these profiles could be an alternative in the design of future VAWTs.