Diseño y control de un aerogenerador vertical
Abstract
Este estudio presenta el diseño, fabricación y evaluación experimental de un aerogenerador de eje vertical tipo Savonius, con el objetivo de analizar su eficiencia en la conversión de energía eólica en condiciones de baja velocidad de viento. Para ello, se han desarrollado y comparado tres modelos de aspas con distintas configuraciones geométricas, con el fin de evaluar el impacto de su diseño en la captación y aprovechamiento de la energía del viento. El proceso de diseño se llevó a cabo mediante modelado 3D, lo que permitió optimizar las formas de las aspas antes de su fabricación. La manufactura se realizó mediante impresión 3D en PLA, un material seleccionado por su facilidad de producción y estabilidad estructural en condiciones experimentales. Para el análisis aerodinámico, se realizarán simulaciones computacionales de dinámica de fluidos (CFD) en un rango de 2 a 10 m/s de velocidad del viento y valores de TSR entre 0 y 2,5, lo que permitirá estudiar la interacción del flujo de aire con las aspas, calcular el coeficiente de potencia y evaluar patrones de distribución de presión y turbulencia. Posteriormente, se llevarán a cabo pruebas experimentales en un túnel de viento, sometiendo el aerogenerador a velocidades de 1 a 5 m/s, con el mismo rango de TSR entre 0 y 2,5, utilizando sensores para la medición de torque y velocidad angular. El estudio busca determinar la influencia del diseño de las aspas en la conversión de energía eólica, así como comparar los resultados obtenidos en simulación con los datos experimentales. A través de este enfoque combinado, se espera mejorar la comprensión del comportamiento aerodinámico de los aerogeneradores de eje vertical y generar información útil para su optimización en aplicaciones de baja velocidad de viento.
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DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO TREBALL FINAL DE GRAU TITULO: DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR VERTICAL AUTORES: MOLINA GALLEGO, MARC FECHA DE PRESENTACIÓN: GENER 2025
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO APELLIDOS: MOLINA GALLEGO NOMBRE: MARC TITULACIÓN: INGENIERIA ELECTRONICA INDUSTRIAL Y AUTOMATICA PLAN: 2009 DIRECTOR: JOAN MARC RODRÍGUEZ BERNUZ DEPARTAMENTO: DEEDEPARTAMENTO D’INGENIERIA ELECTRICA CALIFICACIÓN DEL TFE TRIBUNAL PRESIDENTE SECRETARIO VOCAL ANDRADA GASCON, PEDRO CASAS FERNÁNDEZ, BERNARDINO TORRENT BURGUES, MARCEL FECHA DE LECTURA: 04/02/2025 Este proyecto tiene en cuenta aspectos medioambientales: SI NO
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO RESUMEN Este estudio presenta el diseño, fabricación y evaluación experimental de un aerogenerador de eje vertical tipo Savonius, con el objetivo de analizar su eficiencia en la conversión de energía eólica en condiciones de baja velocidad de viento. Para ello, se han desarrollado y comparado tres modelos de aspas con distintas configuraciones geométricas, con el fin de evaluar el impacto de su diseño en la captación y aprovechamiento de la energía del viento. El proceso de diseño se llevó a cabo mediante modelado 3D, lo que permitió optimizar las formas de las aspas antes de su fabricación. La manufactura se realizó mediante impresión 3D en PLA, un material seleccionado por su facilidad de producción y estabilidad estructural en condiciones experimentales. Para el análisis aerodinámico, se realizarán simulaciones computacionales de dinámica de fluidos (CFD) en un rango de 2 a 10 m/s de velocidad del viento y valores de TSR entre 0 y 2,5, lo que permitirá estudiar la interacción del flujo de aire con las aspas, calcular el coeficiente de potencia y evaluar patrones de distribución de presión y turbulencia. Posteriormente, se llevarán a cabo pruebas experimentales en un túnel de viento, sometiendo el aerogenerador a velocidades de 1 a 5 m/s, con el mismo rango de TSR entre 0 y 2,5, utilizando sensores para la medición de torque y velocidad angular. El estudio busca determinar la influencia del diseño de las aspas en la conversión de energía eólica, así como comparar los resultados obtenidos en simulación con los datos experimentales. A través de este enfoque combinado, se espera mejorar la comprensión del comportamiento aerodinámico de los aerogeneradores de eje vertical y generar información útil para su optimización en aplicaciones de baja velocidad de viento. PALABRAS CLAVE (MAXIMO 10): Aerogenerador Savonius Energía eólica Diseño Simulación CFD Impresión 3D Control Eficiencia Fabricación Túnel de viento
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO RESUM Aquest estudi presenta el disseny, fabricació i avaluació experimental d’un aerogenerador d’eix vertical tipus Savonius, amb l’objectiu d’analitzar la seva eficiència en la conversió d’energia eòlica en condicions de baixa velocitat de vent. Per a això, s’han desenvolupat i comparat tres models de pales amb diferents configuracions geomètriques, amb la finalitat d’avaluar l’impacte del seu disseny en la captació i aprofitament de l’energia del vent. El procés de disseny s’ha dut a terme mitjançant modelatge 3D, fet que ha permès optimitzar les formes de les pales abans de la seva fabricació. La manufactura s’ha realitzat mitjançant impressió 3D en PLA, un material seleccionat per la seva facilitat de producció i estabilitat estructural en condicions experimentals. Per a l’anàlisi aerodinàmica, es realitzaran simulacions computacionals de dinàmica de fluids (CFD) en un rang de 2 a 10 m/s de velocitat del vent i valors de TSR entre 0 i 2,5, la qual cosa permetrà estudiar la interacció del flux d’aire amb les pales, calcular el coeficient de potència i avaluar patrons de distribució de pressió i turbulència. Posteriorment, es duran a terme proves experimentals en un túnel de vent, sotmetent l’aerogenerador a velocitats d’1 a 5 m/s, amb el mateix rang de TSR entre 0 i 2,5, utilitzant sensors per a la mesura del parell i la velocitat angular. L’estudi busca determinar la influència del disseny de les pales en la conversió d’energia eòlica, així com comparar els resultats obtinguts en simulació amb les dades experimentals. A través d’aquest enfocament combinat, s’espera millorar la comprensió del comportament aerodinàmic dels aerogeneradors d’eix vertical i generar informació útil per a la seva optimització en aplicacions de baixa velocitat de vent. PARAULES CLAU (MÀXIM 10): Aerogenerador Savonius Energia eòlica Disseny Simulació CFD Impressió 3D Control Eficiència Fabricació Túnel de vent
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO ABSTRACT This study presents the design, manufacturing, and experimental evaluation of a Savoniustype vertical-axis wind turbine, aiming to analyze its efficiency in converting wind energy under low wind speed conditions. To achieve this, three blade models with different geometric configurations have been developed and compared to assess the impact of their design on wind energy capture and utilization. The design process was carried out using 3D modeling, which allowed for the optimization of the blade shapes before manufacturing. The fabrication was performed through 3D printing using PLA, a material chosen for its ease of production and structural stability under experimental conditions. For aerodynamic analysis, computational fluid dynamics (CFD) simulations will be conducted within a wind speed range of 2 to 10 m/s and TSR values between 0 and 2,5, allowing the study of airflow interaction with the blades, calculation of the power coefficient, and evaluation of pressure distribution and turbulence patterns. Subsequently, experimental tests will be conducted in a wind tunnel, exposing the wind turbine to wind speeds from 1 to 5 m/s, maintaining the same TSR range between 0 and 2,5, using sensors to measure torque and angular velocity. The study aims to determine the influence of blade design on wind energy conversion, as well as to compare the results obtained from simulations with experimental data. Through this combined approach, the research seeks to enhance the understanding of the aerodynamic behavior of vertical-axis wind turbines and generate valuable information for their optimization in low wind speed applications. KEYWORDS (10 maximum): Wind turbine Savonius Wind energy Design CFD simulation 3D printing Control Efficiency Manufacturing Wind tunnel
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 1 ÍNDICE 1. Introducción .................................................................................................................. 9 1.1. Motivación del proyecto ........................................................................................ 9 1.2. Objetivos generales y específicos ........................................................................ 10 Objetivo general: ............................................................................................................. 10 1.3. Justificación del diseño de un aerogenerador vertical ........................................ 11 1.4. Alcance y limitaciones del proyecto .................................................................... 12 2. Marco Teórico.............................................................................................................. 15 2.1. Historia de la energía eólica ................................................................................. 15 2.2. Energía eólica: fundamentos y conceptos básicos .............................................. 24 2.3. Tipos de aerogeneradores: horizontales vs. Verticales ....................................... 33 2.4. Principios del aerogenerador tipo Savonius ........................................................ 37 2.5. Materiales utilizados en aerogeneradores .......................................................... 39 2.6. Métodos de análisis y diseño aerodinámico ....................................................... 40 2.7. Túnel de viento .................................................................................................... 44 3. Diseño y Fabricación ................................................................................................... 48 3.1. Diseño preliminar del aerogenerador ................................................................. 48 3.2. Diseño de las aspas: curvatura, ángulo y disposición .......................................... 49 3.3. Proceso de impresión 3D de las piezas ................................................................ 55 3.4. Ensamblaje del aerogenerador y componentes .................................................. 58 3.5. Montaje y ensamble al túnel de viento ............................................................... 60 4. Simulaciones ................................................................................................................ 63 4.1. Herramientas y Métodos ..................................................................................... 63 4.1.1. Software CFD: SolidWorks Flow Simulation ............................................ 63 4.1.1.1. Configuración inicial ................................................................................. 64 4.1.1.2. Flow Trajectories ...................................................................................... 66 4.1.1.3. Surface Plots ............................................................................................ 68 4.1.1.4. Cut Plots ................................................................................................... 69 4.1.2. Pruebas experimentales en túnel de viento: especificaciones y parámetros ................................................................................................................ 71 4.2. Simulación Mediante CFD .................................................................................... 73
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 2 4.2.1. Configuración del modelo y parámetros iniciales ................................... 73 4.2.2. Resultados de las simulaciones computacionales para los tres modelos75 5. Sistema de Control y Medición ................................................................................... 85 5.1. Implementación del motor para lectura y velocidad constante ......................... 85 5.2. Configuración del motor y parámetros de operación ......................................... 87 5.3. Técnicas de monitoreo de velocidad y torque .................................................... 89 6. Pruebas en el Túnel de Viento .................................................................................... 92 6.1. Preparación y montaje .............................................................................................. 92 6.2. Resultados experimentales para los tres modelos ................................................... 95 7. Resultados y Discusión .............................................................................................. 102 7.1. Rendimiento del aerogenerador en condiciones reales .................................... 102 7.2. Comparación de resultados simulados y reales ................................................ 103 7.3. Evaluación de los tres modelos y selección del diseño óptimo ......................... 105 7.4. Limitaciones identificadas durante las pruebas ................................................ 107 8. Presupuesto ............................................................................................................... 109 8.1. Costes de materiales .......................................................................................... 109 8.2. Costes asociados a software .............................................................................. 110 8.3. Costes desarrollo ............................................................................................... 112 8.4. Evaluación económica global del proyecto ....................................................... 112 9. Análisis de Sostenibilidad e Implicaciones Éticas .................................................... 115 9.1. Impacto ambiental del uso de materiales y procesos de impresión 3D ........... 115 9.2. Contribución del aerogenerador a la transición energética .............................. 116 9.3. Implicaciones éticas del desarrollo tecnológico y su impacto en la sociedad ... 117 10. Conclusiones y Recomendaciones ......................................................................... 120 10.1. Conclusiones generales del proyecto ............................................................ 120 10.2. Recomendaciones para futuros diseños o mejoras ....................................... 122 11. Agradecimientos ..................................................................................................... 125 12. Bibliografía .............................................................................................................. 127 13. Anexos ..................................................................................................................... 131 13.1. Anexo-A. Planos de los tres modelos ............................................................. 131 13.2. Anexo-B. Tablas de simulaciones en SolidWorks .......................................... 131
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 3 13.3. Anexo-C. Tablas de simulaciones en Túnel de Viento ................................... 131 13.4. Anexo-D. Video de simulación en Túnel de Viento ....................................... 131 13.5. Anexo-E. Animación ....................................................................................... 131
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 4 ÍNDICE DE ILUSTRACIONES Ilustración 1: Embarcación Antiguo Egipto usando energía eólica ......................................... 15 Ilustración 2: Molino de viento europeo típico de la Edad Media .......................................... 17 Ilustración 3: Sistema de Pólderes en los Países Bajos: Gestión del Agua mediante Molinos. .................................................................................................................................................. 18 Ilustración 4: Molinos de viento históricos en Holanda. ......................................................... 19 Ilustración 5: Aeromotor clásico: Innovación estadounidense en la gestión del agua rural .. 20 Ilustración 6: La turbina de Brush: Pionera en generación eléctrica mediante energía eólica .................................................................................................................................................. 22 Ilustración 7: Parque eólico marino ......................................................................................... 23 Ilustración 8: Mapa mundial de la participación de la energía eólica y solar en la generación eléctrica .................................................................................................................................... 24 Ilustración 9: Funcionamiento del viento ................................................................................ 26 Ilustración 10: Efecto del Flujo de Viento en un Aerogenerador con Concentrador .............. 30 Ilustración 11: Software OpenFOAM ....................................................................................... 43 Ilustración 12: Software SolidWorks ........................................................................................ 43 Ilustración 13: Software ANSYS ............................................................................................... 44 Ilustración 14: Prueba aerodinámica en túnel de viento ........................................................ 45 Ilustración 15: Túnel de viento ................................................................................................ 47 Ilustración 16: Agujero para el alojamiento de la tuerca para la unión de las aspas a la base .................................................................................................................................................. 50 Ilustración 17: Perforación para el alojamiento del taco que sirve de unión entre las aspas, la parte superior e inferior .......................................................................................................... 51 Ilustración 18: Vista superior de cómo se unen las aspas unas con otras .............................. 52 Ilustración 19: Modelo 1 del aerogenerador ........................................................................... 53 Ilustración 20: Modelo 2 del aerogenerador ........................................................................... 54 Ilustración 21: Modelo 3 del aerogenerador ........................................................................... 55 Ilustración 22: Visualización de las aspas del aerogenerador en la plataforma Creality Print 6.0 ............................................................................................................................................ 56 Ilustración 23: Impresora 3D imprimiendo base aerogenerador ............................................ 58 Ilustración 24: Configuración de simulación CFD en SolidWorks Flow Simulation ................. 65
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 11 - Realizar ensayos experimentales en un túnel de viento para validar los resultados numéricos y comparar el rendimiento relativo de los tres diseños en un entorno controlado. - Estudiar y contrarrestar los datos generados de las simulaciones y las pruebas experimentales, identificando el diseño de las aspas más eficiente y explorando sus aplicaciones prácticas. 1.3. Justificación del diseño de un aerogenerador vertical El diseño de un aerogenerador de eje vertical está respaldado por sus atributos distintivos y beneficios en comparación frente a otras configuraciones, como los aerogeneradores de eje horizontal. Este tipo de aerogenerador se caracteriza por su diseño estructural simple, su adaptabilidad a diversas condiciones de viento y su eficacia en entornos con bajas velocidades de viento débil o flujos de viento irregulares. El aerogenerador de eje vertical se elige, en gran medida, por su capacidad de operar en diferentes direcciones del viento. A diferencia de los sistemas de orientación para alinearse con el viento predominante, como los aerogeneradores de eje horizontal. Esta característica los convierte en una solución ideal para áreas urbanas o rurales donde los obstáculos, como edificios o árboles, cran patrones de viento irregulares. Los aerogeneradores verticales se caracterizan por su capacidad de adaptarse en espacios limitados. Su diseño compacto permite su instalación en áreas donde los aerogeneradores horizontales no serían funcionales, como techos patios o zonas con restricciones especiales. Esta ventaja los posiciona como una opción viable para aplicaciones de menor escala, particularmente en sistemas de generación distribuida que producen energía cerca del punto de consumo. Entre sus ventajas se encuentra la simplicidad estructural de este tipo de aerogenerador, que reduce los costos de producción y mantenimiento en comparación con las turbinas de eje horizontal. Los componentes principales, como la base y las aspas, presentan un diseño menos complejo, lo que facilita su producción con herramientas como la impresión 3D. Esto
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 12 no solo minimiza los costos de desarrollo, sino que también permite agilizar las modificaciones a distintas condiciones operativas. El aerogenerador tipo Savonius se presenta como una solución adecuada entre las configuraciones de eje vertical, debido a su capacidad para funcionar eficientemente en condiciones de viento débil y su diseño sólido. Si bien su rendimiento es menor en comparación a modelos más complejos, como el modelo Darrieus, su fiabilidad y facilidad de uso lo hacen ideal para proyectos experimentales y aplicaciones concretas que priorizan la simplicidad y la adaptabilidad. En conclusión, el desarrollo de un aerogenerador de eje vertical busca satisfacer la necesidad de proponer alternativas sostenibles accesibles para comunidades con recursos económicos limitados. Su capacidad para facilitar la generación descentralizada de la producción de energía, reducir la dependencia de redes eléctricas centralizadas y fomentar la adopción de energías renovables lo convierte como un recurso fundamental en la transición hacia un sistema energético más equilibrada y respetuoso con el entorno. 1.4. Alcance y limitaciones del proyecto Este proyecto se enfoca en el diseño, construcción y análisis experimental de un aerogenerador de eje vertical tipo Savonius, con el propósito de estudiar la influencia de distintas configuraciones geométricas de aspas en su eficiencia aerodinámica y estructural. El proceso contempla tres diseños de aspas realizados a través de SolidWorks, con variaciones en curvatura y radio. Las piezas del aerogenerador serán producidas mediante impresión 3D, utilizando PLA como material principal, empleando impresoras 3D proporcionadas por la universidad. Tran la fabricación, se llevará acabo el ensamblaje del dispositivo y su validación mediante pruebas experimentales en un túnel de viento, donde se analizará el desempeño de cada modelo en un entorno controlado. De manera simultánea, se realizarán simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD) para predecir el comportamiento aerodinámico de los diseños. Los resultados
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 13 obtenidos a través de dichas simulaciones se compararán con los datos experimentales, permitiendo identificar y entender su funcionalidad y viabilidad técnica. Asimismo, el proyecto incluirá el análisis de los costos asociados a la fabricación y pruebas, proporcionando una perspectiva económica completa del desarrollo. El estudio también incorpora la exploración de las implicaciones de sostenibilidad, evaluando el impacto ambiental asociado a de los materiales y procesos de fabricación seleccionado. Los resultados y conclusiones generados establecerán un punto de partida para investigaciones y aplicaciones futuras en las practicas del ámbito de los aerogeneradores de eje verticales. El proyecto presenta algunas restricciones derivadas del enfoque adoptado y los recursos disponibles. Las pruebas experimentales se realizarán únicamente en un túnel de viento y no reflejarán con total precisión el comportamiento del aerogenerador en condiciones reales, donde el flujo del viento suele ser más variables y turbulento. En relación con el uso de materiales, el PLA, aunque es apropiado para la fabricación de prototipos, carece de robustez y dureza. Este material fue seleccionado por su accesibilidad y facilidad de fabricación, gracias a su sencillez de trabajar con el mediante impresión 3D. Debido a esto, no se evaluará su resistencia prolongada ni su desempeño bajo condiciones exigentes en este estudio. Las simulaciones CFD, aunque precisas y detalladas, presentan limitaciones debido a la simplificación inherentes a los modelos matemáticos que se aplican. Factores como la idealización de las condiciones iniciales y la falta de consideraciones de efectos externos pueden dar lugar a discrepancias entre los resultados simulados y experimentales. Este proyecto está orientado exclusivamente al desarrollo, análisis y comparación de un aerogenerador tipo Savonius, sin incluir comparaciones con otras configuraciones, como modelos de tipo Darrieus o híbridos. Este enfoque restringe la generalización de las conclusiones hacia otros tipos de diseños de aerogeneradores verticales. Por otro lado, este proyecto engloba el alcance de todas las etapas necesarias para desarrollar un aerogenerador de tipo Savonius, desde el diseño inicial hasta el análisis experimental, proporcionando datos técnicos valiosos para su optimización y potencial implementación futura. Sin embargo, deben tenerse en consideración las limitaciones asociadas al entorno
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 14 experimental, los materiales seleccionados y el enfoque adoptado al evaluar los resultados y su aplicabilidad en otros contextos.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 15 2. Marco Teórico 2.1. Historia de la energía eólica Orígenes de la energía eólica La historia de la energía eólica tiene en las primeras civilizaciones, en el momento en que el ser humano empezó a usar la fuerza del viento como herramienta básica para la realización de labores cotidianas. Esta etapa marca los orígenes de una tecnología, que aun rudimentaria, marca un antes y un después en la sociedad. De los primeros registros históricos documentados del su uso proviene del Antiguo Egipto, donde se construyeron navíos equipadas con velas impulsadas por el viento para navegar por el rio Nilo. Estas embarcaciones no solo marcaron un antes y un después en el transporte, sino que también dinamizaron el comercio y permitieron la conexión de comunidades situadas a largas distancias. La fuerza del viento, canalizada mediante simples velas, ofrecía una alternativa eficiente y sostenible para la navegación fluvial. Este sistema supuso una transformación significativa en las dinámicas comerciales y culturales del antiguo Egipto. Ilustración 1: Embarcación Antiguo Egipto usando energía eólica. Fuente: [1] Varios siglos más tarde, hacia el siglo VII, la utilización del viento como fuente de energía dio
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 16 un salto importante en Persia con la invención de los primeros molinos de eje vertical. Estas máquinas, diseñadas con aspas de madera recubiertas con tela, se utilizaban principalmente para bombear agua y moler granos. Su creación respondió a la demanda de las comunidades rurales de contar con una fuente continua de energía para sus labores diarias. Asimismo, su diseño estaba cuidadosamente adaptado a las corrientes de viento habituales de la zona. Aunque de diseño sencillo, representaron un paso clave en la era tecnología y evidenciaron la creatividad humana para abordar desafíos complejos mediante el uso de los medios disponibles. Con la expansión de la tecnología de los molinos persas hacia otras regiones de Asia y Europa, su diseño se vio modificado para satisfacer las demandas locales lo que derivo a la innovación de nuevos diseños, dando paso a innovadoras aplicaciones de la energía eólica. Este proceso de intercambio cultural y técnico fue decisivo para el desarrollo de futuros mecanismos basados en el viento. Durante este periodo, el viento dejo de ser solo una fuerza de la naturaleza para convertirse en un recurso estratégico que fomento el desarrollo de las civilizaciones. Su empleo facilito a las primeras civilizaciones optimizar procesos como en la agricultura, comercio y transporte, allanando el camino hacia progresos más sofisticados en los siglos venideros. La expansión y evolución de la energía eólica en la Edad Media En la Edad Media, el uso de la energía eólica vivió un periodo de expansión y diversificación en su uso, particularmente en Europa. Los molinos de viento llegaron a ser elementos clave en las áreas rurales, proporcionando soluciones a tareas que antes dependían de grandes esfuerzos manuales o animales. Este periodo fue determinante para la evolución tecnológica del uso del viento como recurso energético.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 17 Ilustración 2: Molino de viento europeo típico de la Edad Media. Fuente: [2] Hacia el siglo XII, en Europa, surgieron los primeros molinos de viento de eje horizontal, que supusieron un avance relevante en comparación con los de eje vertical utilizados en Persia. El diseño europeo incorporaba un eje horizontal que, a través de engranajes, transformaba el movimiento de rotación en una fuerza funcional para diversas aplicaciones. Principalmente, estos molinos eran la molienda principal de grano, una labor clave para garantizar la subsistencia de las comunidades agrícolas. Asimismo, tuvieron una función determinante en el bombeo del agua, especialmente en regiones como los Países Bajos, donde los sistemas de desagüe eran críticos para ganar tierras cultivables. Gracias a estas aplicaciones hizo que los molinos de viento se convirtieran en elementos imprescindibles para la economía rural de la época.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 18 Ilustración 3: Sistema de Pólderes en los Países Bajos: Gestión del Agua mediante Molinos. Fuente: [3] A lo largo del tiempo los molinos europeos experimentaron una evolución notable en su diseño. Las torres, que originalmente estaban construidas de madera, fueron remplazadas por estructuras de piedra, lo que incremento considerablemente su estabilidad y resistencia ante climas desfavorables. Además, se incorporaron mecanismos que permitían ajustar la orientación de las aspas según la dirección del viento, mejorando así su rendimiento y su efectividad. Estos progresos son prueba de la continua adaptación de la tecnología eólica a las diversas necesidades locales. En regiones como China y el Medio Oriente, los molinos de viento evolucionaron para atender necesidades concretas, como el riego de cultivos o la trituración de alimentos. Aunque existían diferencias culturales y geográficas, estas invenciones giraban en torno al mismo concepto: el aprovechamiento del viento como una energía limpia y renovable. La Edad media fue, además de un periodo de innovación técnica, una era de un intenso intercambio cultural. Los conocimientos relacionados con el diseño y empleo de molinos de viento se diseminaron gracias a las rutas comerciales y los encuentros entre las diversas civilizaciones. Este intercambio de ideas supuso un hito en la historia de la energía eólica.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 19 La Revolución Industrial y el resurgir de la energía eólica Con la Revolución Industrial, se produjo un cambio drástico en la manera de entender y usar la energía eólica. A lo largo de los siglos XVIII y XIX, el avance de nuevas innovaciones tecnológicas y del desarrollo industrial revolucionaron la forma en que se empleaban las fuentes energéticas. Si bien el vapor y el carbón dominaron esta época, la energía eólica continúo desempeñando un rol significativo en aplicaciones específicas y en ciertas regiones. Ilustración 4: Molinos de viento históricos en Holanda. Fuente: [4] Durante este periodo, los molinos de viento tradicionales comenzaron a evolucionar hacia configuraciones más eficientes, para ajustarse a las nuevas exigencias industriales, como por ejemplo en lugares como Países Bajos y Estados Unidos. En los Países Bajos continuaron utilizándose para el drenaje de tierras, mientras que en Estados Unidos surgieron aeromotores con aspas múltiples para el bombeo de agua en áreas rurales y ganaderas. Construidos en su mayoría de hierro, estos aeromotores ofrecían mayor durabilidad y requerían menos cuidados que sus antecesores de madera.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 20 El avance de estas tecnologías resulto crucial en Estados Unidos, donde la colonización del oeste y la ocupación de tierras áridas dependían en gran medida del suministro del agua. Gracias a los molinos de viento se facilitó la extracción de agua en pozos profundos para los agricultores y ganaderos, lo que garantizo la supervivencia en áreas remotas. Asimismo, se convirtieron en un icono de independencia y el avance en las zonas rurales. Ilustración 5: Aeromotor clásico: Innovación estadounidense en la gestión del agua rural. Fuente: [5] Si bien la energía eólica permaneció en uso en ciertas aplicaciones específicas, su relevancia decayó frente al crecimiento exponencial de los combustibles fósiles, que garantizaban mayor capacidad y estabilidad para cubrir las demandas de las ciudades industriales en expansión. No obstante, este periodo dejo una herencia importante: los cimientos para el desarrollo de las tecnologías eólicas modernas. Las innovaciones en los aeromotores y la optimización en los diseños marcaron un referente clave para el resurgimiento en el siglo XX.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 27 Además de las propiedades dinámicas del aire, la eficiencia depende del diseño del sistema de conversión. Elementos como la disposición de las aspas, el área barrida, y la orientación respecto al flujo del viento son determinantes para maximizar la captación de energía y minimizar las perdidas asociadas. En conclusión, los principios físicos que rigen la energía eólica destacan la relación entre el flujo del aire y los sistemas encargados de captarlo, estableciendo las bases para el desarrollo de tecnologías más eficientes y sostenibles en el campo de la generación energética. Potencia del viento La potencia del viento constituye un concepto clave para el aprovechamiento de la generación de energía eólica, ya que define la cantidad de energía que puede ser transformada en electricidad o utilizada en realizar un trabajo mecánico. Esta potencia se relaciona con su energía cinética y se analiza en función del flujo continuo de aire que pasa a través de un área específica, como el plano de barrido de las aspas de un aerogenerador. La fórmula general para calcular la potencia del viento es: 𝑃𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 =1 2∙ 𝜌 ∙ 𝐴 ∙ 𝑣3 Ec. 1 Donde: - 𝑃𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜: Potencia del viento [W] - 𝜌 : Densidad del aire [kg/m3] - 𝐴 : Área barrida por las aspas [m2] - 𝑣 : Velocidad del viento [m/s]
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 28 Factores que influyen en la potencia del viento - Densidad del aire ( 𝜌 ): La densidad del aire depende de factores como la temperatura del aire y la presión atmosférica. A nivel del mar, el valor promedio es de 1,255 [kg/m3], disminuyendo conforme aumenta la altitud. Por lo tanto, esto implica que los aerogeneradores ubicados en zonas elevadas o regiones frías dispondrán de menor potencia en comparación con áreas bajas o entornos con mayor densidad de aire. - Área de barrida (𝐴): El área de barrida, en el caso de los aerogeneradores de eje vertical tipo Savonius, es un rectángulo que describen las aspas al girar. Se calcula como: 𝐴 = ℎ ∙ 𝑟 Ec. 2 Donde ℎ es la altura del aspa del aerogenerador, y 𝑟 corresponde al radio del aerogenerador, en este caso, al largo del aspa. Cuanto mayor sea el área barrida, más viento puede interceptar el aerogenerador, lo que incrementa la potencia disponible. Por esta razón, los aerogeneradores de mayor tamaño son capaces de generar más energía. - Velocidad del viento ( 𝑣 ): La velocidad del viento influye de manera cubica en la potencia generada, lo que significa que pequeños aumentos en la velocidad resultan en un incremento significativo de la potencia disponible. Por ejemplo, cuando la velocidad del viento se duplica, la potencia generada se vería incrementada en un factor de ocho. Este comportamiento subraya la importancia de la selección cuidadosa en el lugar de instalación de un aerogenerador, ya que las ubicaciones con vientos fuertes y constantes ofrecen un rendimiento superior.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 29 Implicaciones prácticas de la potencia del viento La potencia del viento marca un límite teórico para la energía que se puede extraer en un lugar específico. No obstante, en la práctica, la cantidad de energía realmente extraída depende de factores prácticos, como la eficiencia del aerogenerador, las perdidas mecánicas y las condiciones ambientales. Asimismo, las variaciones en la velocidad del viento provocan fluctuaciones en la generación de potencia producida. Por esta razón, la ubicación y el diseño de los aerogeneradores se enfoca en maximizar el uso de la potencia disponible, garantizando un funcionamiento eficiente en las velocidades de viento más frecuentes de cada región. Este enfoque permite favorecer la eficiencia en la generación de energía renovable y la rentabilidad económica de los parques eólicos. Potencia útil del aerogenerador Cuando el viento impacta las aspas de un aerogenerador, transfiere parte de su energía cinética, generando un movimiento de rotación en el rotor. Este fenómeno es el resultado de la fuerza aerodinámica ejercida sobre las aspas, la cual produce un torque en el eje del aerogenerador, permitiendo la conversión de energía eólica en energía mecánica. La potencia mecánica generada en este proceso se expresa mediante la siguiente ecuación: 𝑃ú𝑡𝑖𝑙 = 𝑇 ∙ 𝜔 Ec. 3 donde: - 𝑃ú𝑡𝑖𝑙 es la potencia útil (W), que representa la cantidad de energía transferida por unidad de tiempo. - T es el torque o momento de fuerza (N·m), generado por la interacción del viento con las aspas. - 𝜔 es la velocidad angular (rad/s), que indica la velocidad de giro del rotor. Esta ecuación permite determinar la cantidad de energía mecánica extraída del viento. El torque (𝑇) se genera cuando el viento impacta las aspas, ejerciendo una fuerza tangencial que
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 30 provoca su rotación. La velocidad angular (𝜔) depende de la cantidad de energía capturada y de las pérdidas mecánicas del sistema. En conjunto, estos factores determinan la potencia disponible para su conversión en energía eléctrica mediante un generador. La Ley de Betz La Ley de Betz, propuesta en 1919 por el físico alemán Albert Betz, define un límite teórico de la energía cinética del viento que puede ser extraída por un aerogenerador y convertida en energía útil. Este límite, conocido como límite de Betz, demuestra que ningún sistema de captación puede aprovechar más del 59,3% de la energía del viento que cruza su área de barrido. El principio fundamental de dicha ley radica en la necesidad de mantener un flujo continuo del viento. Si un aerogenerador intentara capturar toda la energía del viento, el flujo detrás de las aspas se detendría por completo, provocando un bloqueo de flujo que impediría el movimiento continuo de las aspas. Para que el sistema opere de manera eficiente, es necesario permitir que parte del viento atraviese el rotor, asegurando la continuidad del flujo. Ilustración 10: Efecto del Flujo de Viento en un Aerogenerador con Concentrador. Fuente: [10]
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 31 La Ley de Betz busca equilibrar la necesidad de captación de energía con la necesidad de preservación del flujo de aire. Identifica un punto óptimo donde la cantidad de energía extraída alcanza su valor máximo, sin que las perdidas por la disminución de la velocidad del viento superen los beneficios de la captación. El límite de Betz puede expresarse matemáticamente como: 𝐶𝑝=𝑃ú𝑡𝑖𝑙 𝑃𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 ≤ 0,593 =16 27 Ec. 4 Donde: - 𝐶𝑝: Coeficiente de potencia, que representa la fracción de energía capturada. - 𝑃ú𝑡𝑖𝑙: Potencia útil generada por el aerogenerador. - 𝑃𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜: Potencia total contenida en el viento. Potencia máxima aprovechable La potencia máxima que un aerogenerador puede extraer del viento se calcula considerando el coeficiente de potencia de Betz (Cp) dentro de la fórmula de potencia del viento: 𝑃ú𝑡𝑖𝑙 =16 27 ∙ 𝑃𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 Ec. 5 Donde: - 16 27: corresponde al límite teórico de 59,3%. - 𝑃𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜: Potencia del viento [W]
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 32 Implicaciones practicas Aunque el límite de Betz es un concepto teórico, sirve como marco para el diseño de la evaluación de la eficiencia de los aerogeneradores. En condiciones reales, la eficiencia real estará limitada por factores como: - Perdidas mecánicas: Rozamiento en los elementos del sistema, como los rodamientos y el generador. - Perdidas aerodinámicas: Capacidad limitada de las aspas para aprovechar el flujo del viento. - Condiciones ambientales: Corrientes turbulentas, cambios en la densidad del aire y velocidades del viento inestables. Los aerogeneradores modernos logran alcanzar un 𝐶𝑝 practico en un rango de 35% a 45%, aproximándose al límite teórico de Betz, que fija una eficiencia máxima de 59,3%, pero sin superarlo. No obstante, los aerogeneradores de eje vertical presentan un 𝐶𝑝 inferior debido a sus características estructurales y operativas, con valores típicos entre el 10% y el 40%. Los aerogeneradores tipo Savonius, optimizados para una resistencia aerodinámica mayor, presentan eficiencias aun menores, con un 𝐶𝑝 que varia del 10% al 20%, dependiendo de factores como la geométrica de las aspas, la configuración del sistema y el flujo del viento. Relevancia en el diseño de aerogeneradores La Ley de Betz, es crucial que las aspas y el rotor estén diseñados para optimizar la captación de energía sin frenar en exceso el flujo del aire. Asimismo, destaca la necesidad de elegir ubicaciones con velocidades de viento estables y adecuadas, con el fin de alcanzar la mayor eficiencia posible. De igual manera, comprender este límite teórico permite a los ingenieros concentrarse en mejoras de otros factores del sistema, con el fin de acercarse al máximo teórico en escenarios reales.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 33 2.3. Tipos de aerogeneradores: horizontales vs. Verticales Los aerogeneradores son equipos diseñados para aprovechar la energía cinética del viento y convertirla en energía mecánica o eléctrica. Dependiendo de la orientación de su eje de rotación se pueden clasificar en dos categorías principales: aerogeneradores de eje vertical y aerogeneradores de eje horizontal. Cada uno con características particulares únicas que los hacen más idóneos para diferentes entornos y usos. Históricamente, los aerogeneradores de eje horizontal han liderado la producción de energía eólica a gran escala, caracterizándose por su elevada eficiencia y aptitud para captar vientos fuertes y constantes, especialmente en instalaciones terrestres y marinas. Por su parte, los aerogeneradores de eje vertical han ganado protagonismo en proyectos de menor escala. Gracias a su diseño compacto y su funcionamiento con vientos multidireccionales, resultandos ideales para áreas urbanas y espacios con restricciones de tamaño. Los aerogeneradores de eje horizontal, conocidos como HAWT, son los más utilizados en la producción de energía eólica a gran escala, gracias a su elevada eficiencia y capacidad para aprovechar la captación de vientos constantes. Su eje de rotación está dispuesto de forma paralela al suelo y perpendicular al flujo, lo que permite optimizar la captación de energía en condiciones óptimas. Una de las características más destacadas de estos aerogeneradores es su orientación automática hacia el viento predominante, utilizando un sistema que ajusta la orientación del rotor. Se diseñan para operar en torres altas, normalmente superiores a 50 metros, donde los vientos son más fuertes y constantes. Las aspas aerodinámicas, que en los modelos más avanzados pueden superar los 100 metros de longitud, están diseñadas para optimizar la captación de mayores cantidades de energía al cubrir amplias áreas barridas. El diseño de los aerogeneradores de eje horizontal se compone de varios elementos clave. El rotor, compuesto en su mayoría de los casos por tres aspas, está diseñado para alcanzar un balance entre rendimiento y estabilidad. Dicho rotor transmite la energía mecánica, mediante un eje a un generador eléctrico, donde la energía mecánica del viento se transforma en energía eléctrica. Algunos modelos incluyen un multiplicador de velocidad (gearbox) para ajustar las revoluciones del rotor a las especificaciones del generador. Asimismo, incorporan
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 34 frenos que protegen la estructura frente a vientos extremos y un sistema de orientación (yaw system) que mantiene las aspas alineadas con el flujo del viento. Una de las principales ventajas de los aerogeneradores de eje horizontal está en su sobresaliente eficiencia energética. Su diseño avanzado y ubicación en torres altas pueden aprovechar los vientos más fuertes y de gran intensidad, maximizando la generación de energía. Además, su tecnología, ampliamente utilizada y desarrollada, asegura confiabilidad en proyectos de gran envergadura, satisfaciendo los requerimientos de áreas urbanas e industriales. No obstantes, este tipo de aerogeneradores presenta algunas limitaciones. Su diseño requiere sistemas complejos para orientar las aspas hacia el viento, lo que aumente los costos de instalación y mantenimiento. También generan ruido y pueden afectar a la fauna local, en particular para aves y murciélagos. Su gran tamaño también tiene un impacto visual considerable, pudiendo generar posibles conflictos con algunas comunidades. Por otro lado, los elevados costos iniciales de transporte, asociados a la infraestructura, y al transporte de los componentes, que restringen su implementación en ciertos entornos, y su implementación en ciertos contextos, y su rendimiento no es adecuado en áreas con mayor turbulencia o inestabilidad del viento. Los aerogeneradores de eje vertical, conocidos como VAWT, son dispositivos destinados a captar la energía eólica mediante un eje de rotación dispuesto perpendicular al terreno. A diferencia de los aerogeneradores de eje horizontal, este diseño elimina la necesidad de mecanismos de orientación hacia el flujo de viento predominante. Esto los hace especialmente útiles en áreas con turbulencias o vientos inestables, como en áreas urbanas o espacios reducidos. Una de las principales características de los aerogeneradores de eje vertical es su simplicidad estructural y su capacidad para funcionar independientemente de la dirección del viento. Esto elimina la necesidad de sistemas de orientación complejos, simplificando su diseño como su mantenimiento. Asimismo, su instalación a menor altura ofrece un acceso más fácil a sus componentes principales, reduciendo los costos operativos y facilitando las tareas de
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 35 reparación e inspección. Estas características los hacen ideales para proyectos de pequeña escala o para entornos con vientos irregulares. En los aerogeneradores de eje vertical, el diseño se basa en un eje central alrededor del cual se colocan aspas. Según el modelo, estas aspas están configuradas para captar las fuerzas de arrastre y/o sustentaciones producidas por el viento. Habitualmente, el generador eléctrico y otros componentes están ubicados en la base, reduciendo el peso en la parte superior y mejorando su estabilidad en la estructura. Su funcionamiento convierte la energía cinética del viento en energía mecánica a través del giro del rotor, que posteriormente se transforma en electricidad en el generador. Entre los aerogeneradores de eje vertical más comunes destacan los tipos Savonius, Darrieus y los heridos. Los Savonius aprovechan la fuerza de arrastre para generar energía y se distinguen por su diseño simple, compuesto por dos o más aspas semicirculares enfrentadas. En cambio, los aerogeneradores Darrieus utilizan la fuerza de sustentación generada por sus aspas curvas, lo que proporciona una mayor eficiencia que los modelos Savonius, aun que requieren vientos con mayor velocidad para operar eficientemente. Finalmente, los modelos híbridos, combinan características de ambos diseños, optimizando una captación más eficiente de energía en condiciones de viento variables, ofreciendo un desempeño más equilibrado. Entre las ventajas que proporcionan los aerogeneradores de eje vertical, que los hacen atractivos en ciertos escenarios, destacan su capacidad para aprovechar vientos desde todas direcciones, eliminando así la necesidad de sistemas de orientación complejos. Asimismo, su instalación a menor altura ofrece una reducción significativa en el mantenimiento y los costos asociados. También destacan su diseño compacto y su menor impacto visual los hace adecuados para áreas urbanas, donde la estética y el control del ruido son relevantes. Aun con sus beneficios, los aerogeneradores de eje vertical también presentan ciertas desventajas en su aplicación en ciertos escenarios. En general, los modelos de eje horizontal son menos eficientes, especialmente en instalaciones de gran tamaño. Asimismo, las fuerzas dinámicas provocadas por el movimiento de las aspas pueden afectar problemas en la estabilidad de la estructura. Si bien son efectivos con vientos de velocidad baja y moderada,
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 36 su capacidad de generación no es ideal en áreas que requieran de alta demande de generación de energía o para condiciones de viento muy fuertes. Tabla 1: Criterios Aerogenerador eje vertical vs. Aerogenerador eje horizontal. Criterio Aerogeneradores de eje horizontal Aerogeneradores de eje vertical Eficiencia Alta eficiencia, especialmente en condiciones de viento constante y velocidades altas. Menor eficiencia en general, adecuada para velocidades de viento bajas o moderadas. Aplicaciones comunes Parques eólicos terrestres y marinos, instalaciones de gran escala para generación masiva de energía. Entornos urbanos, zonas con turbulencias, pequeñas instalaciones de autoconsumo o ubicaciones decorativas. Mantenimiento Más complejo y costoso debido a su altura y sistemas auxiliares, como el mecanismo de orientación. Mantenimiento más sencillo y económico, ya que los componentes suelen estar cerca del suelo. Coste de fabricación Elevado debido al tamaño de las aspas, las torres altas y los sistemas de orientación. Menor coste, ya que las estructuras son más compactas y requieren menos materiales. Adaptabilidad a ubicaciones Limitada en terrenos con turbulencias o velocidades de viento variables. Alta adaptabilidad, ideal para con vientos multidireccionales o velocidades variables. Sensibilidad a la dirección del viento Alta; requiere sistemas de orientación para posicionar Baja; capta el viento desde cualquier dirección sin
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 43 OpenFOAM se posiciona como una de las herramientas más populares en la dinámica de fluidos computacionales (CFD). Este software de código abierto permite realizar simulaciones sobre el flujo de aire, turbulencias y la transferencia de calor. Su flexibilidad y adaptabilidad lo hacen ideal para estudios específicos, como el estudio de la interacción entre el viento y las aspas. Aunque su interfaz puede ser más técnico que otros programas, ya que cuenta con una extensa comunidad de usuarios que facilitan un soporte y unos recursos para proyectos avanzados. Ilustración 11: Software OpenFOAM. Fuente: [11] SolidWorks es ampliamente utilizado en el diseño para la creación de componentes mecánicos, incluidas las aspas del aerogenerador. Aunque se centra en el diseño CAD, integra una extensión de simulación que permite realizar análisis básicos de flujo aerodinámico y estudios de resistencia estructural. Gracias a su interfaz intuitiva y sus capacidades de integración lo hacen especialmente útiles en las primeras fases del diseño y para proyectos que requieren combinan evaluaciones en análisis mecánicos y aerodinámicos. Ilustración 12: Software SolidWorks. Fuente: [12]
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 44 ANSYS es una plataforma de simulación CFD avanzada que combina con estudios estructurales y términos. Su modulo ANSYS Fluent se destaca por su capacidad para modelar flujos complejos y analizar turbulencias, consolidándose como una herramienta ideal para proyectos de gran escala. Además, ANSYS permite realizar estudios multifísicos, abordando simultáneamente el comportamiento aerodinámico, estructural y térmico, lo que resulta clave para la optimización global del aerogenerador. Ilustración 13: Software ANSYS. Fuente: [13] Cada una de estas herramientas tiene usos específicos en el diseño aerodinámico. OpenFOAM es una opción ideal para realizar simulaciones personalizadas y económicas, siendo muy utilizado en entornos académicos y proyectos de investigación experimental. SolidWorks se emplea principalmente para conceptualizar y evaluar diseños preliminares, mientras que ANSYS sobresale en el ámbito donde se demanda simulaciones más complejas y de alta precisión. 2.7. Túnel de viento El túnel de viento es un recurso clave en la ingeniería aerodinámica, permitiendo examinar la interacción del flujo de aire con diversas superficies y estructuras. Su utilización resulta crucial en la evolución y ajuste de aerogeneradores y cualquier elemento que se mueva en contra del viento. Mediante estos ensayos, se pueden examinar el efecto del viento sobre las aspas y el rotor, mejorando su diseño y funcionalidad.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 45 Ilustración 14: Prueba aerodinámica en túnel de viento. Fuente: [14] Los túneles de viento se categorizan según la velocidad del flujo de aire que generan. Los túneles subsónicos operan con velocidades por debajo de la del sonido, que es Mach < 1, y son los más utilizados en estudios aerodinámicos en sectores como el automotriz y la energía eólica. Su estructura generalmente integra un ventilador de gran potencia que mueve el aire a través de un conducto con zonas de contracción y expansión, donde se ubica el área de ensayo. En este tipo de túneles, sensores especializados permiten registrar variables como presión, velocidad del aire y fuerzas aerodinámicas que actúan sobre el modelo de estudio. Los túneles transónicos operan en un rango de velocidad próximo a la del sonido, entre Mach 0,8 y 1,2, y se emplean principalmente en investigaciones aeronáuticas para estudiar la generación de ondas de choque y efectos de compresibilidad que afectan la eficiencia aerodinámica de una estructura. Para mantener un flujo controlado, estos túneles requieren una presurización precisa y un sistema de análisis que permita analizar la estabilidad de los perfiles aerodinámicos en condiciones exigentes de vuelo. Por otro lado, los túneles supersónicos e hipersónicos alcanzan velocidades muy superiores a la del sonido, superior a Mach 1, y se aplican en estudios aeroespaciales sobre aeronaves y
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 46 cohetes. Debido a la intensidad del flujo, estos túneles requieren sofisticados sistemas de inyección de aire comprimido y un diseño estructural capaz de soportar las altas presiones y temperaturas generadas durante los ensayos. Otra forma de clasificar los túneles de viento es en función de la circulación del flujo de aire. En los túneles de circuito abierto, el aire ingresa libremente hacia adentro y afuera sin ser recirculado, lo que requiere un entorno con condiciones controladas para asegurar la precisión de los experimentos. Este tipo de configuración simplifica la construcción y abarata los costos, aun que requiere un entorno con condiciones controladas para asegurar la precisión de las mediciones. Son comúnmente empleados en pruebas educativas y estudios aerodinámicos preliminares. En cambio, los túneles de circuito cerrado mantienen el aire en constante recirculación dentro de una estructura hermética, asegurando condiciones de prueba mas estables y uniformes. A pesar de su mayor complejidad y costo, ofrecen una mayor fiabilidad y eficiencia en pruebas de larga duración. El funcionamiento del túnel de viento se basa en la generación de un flujo de aire regulado mediante ventiladores o compresores, dirigiéndolo a través de una zona de pruebas en la que se coloca el objeto de estudio. A lo largo del conducto, sensores y sistemas de medición registran parámetros esenciales como la velocidad del aire, la distribución de presión y las fuerzas aerodinámicas ejercidas sobre el modelo. Su estructura suele contar con una sección para acelerar el flujo, una cámara de pruebas para alojar los modelos analizados y una sección de difusión que regula el aire antes de su liberación. El uso de túneles de viento en estudios de aerogeneradores permite analizar el comportamiento aerodinámico en las aspas, medir su eficiencia y optimizar su diseño. Además, ayuda a identificar perdidas de energía provocadas por el arrastre o la generación de turbulencias, y posibilita la validación de modelos computacionales antes de realizar pruebas en condiciones reales. A través de estos experimentos, se optimiza el funcionamiento del aerogenerador, y garantizar así que su diseño maximice la captación de energía eólica de manera eficiente.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 47 Ilustración 15: Túnel de viento. Fuente: [15] En el presente proyecto se ha utilizado un túnel de viento de construcción casera, diseñado hace algunos años a partir de materiales reciclados. La estructura está compuesta por dos cubos de pintura ensamblados en forma de tubo y únicos por la parte superior de estos, proporcionando un conducto adecuado para canalizar el flujo de aire. En uno de los extremos, se ha instalado un ventilador de corriente continua de 12 V y 25 cm de diámetro, responsable de generar el flujo de aire requerido para las pruebas. Para optimizar la estabilidad de la estructura del túnel, se ha montado sobre una base de madera, minimizando así las vibraciones y desplazamientos durante su funcionamiento. Si bien este diseño presenta ciertas limitaciones, en cuanto a la velocidad máxima alcanzada y la regularidad del flujo, ha demostrado ser útil en la evaluación del desempeño aerodinámico de diferentes diseños de aspas de aerogenerador a pequeña escala. Los ensayos realizados han permitido obtener datos experimentales valiosos que complementan los análisis computacionales previos y permiten contrastar el desempeño de los modelos evaluados.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 48 3. Diseño y Fabricación 3.1. Diseño preliminar del aerogenerador El diseño conceptual del aerogenerador fue desarrollo utilizando en SolidWorks, con el propósito de explorar tres variantes diferentes de aspas. Este enfoque hizo posible evaluar como la curvatura y el radio afectar el comportamiento aerodinámico y estructural del sistema. La finalidad de esta etapa no fue seleccionar un modelo definitivo, sino obtener datos clave mediante simulaciones para comprender las relaciones geométricas y su impacto en el rendimiento. Una particularidad de este diseño es su sistema de unión de aspas. En lugar de un eje central típico, se optó por la adaptación de las aspas para unirse entre ellas, de manera hexagonal. Este diseño combina la simplicidad estructural y flexibilidad, permitiendo el intercambio de modelos para estudios y simulaciones. La eliminación de eje central reduce la dificultad de fabricación y ensamblaje, y la forma hexagonal que forman las aspas proporciona estabilidad y garantiza un ajuste adecuado. Cada uno de los tres modelos se diseñó con diferencias en la curvatura y radio, lo que afecta en una variación en la superficie de barrida y su interacción con el flujo del viento. Estas modificaciones geométricas son calve para analizar como cada configuración se ve afectado por parámetros como la eficiencia en la captación del viento, la generación de torque y la estabilidad dinámica del rotor. Las primeras simulaciones realizadas en SolidWorks hicieron posible examinar el flujo de aire en torno a las aspas, Identificando patrones de flujo, zonas de alta presión y áreas con posibles pérdidas de eficiencia. Estos análisis fueron sentaron las bases para futuras fases de mejora y validación experimental. En resumen, el diseño inicial del aerogenerador resalta por su enfoque experimental y su innovadora estructura de unión hexagonal, la cual combina simplicidad estructural y flexibilidad, permitiendo el estudio de cómo afectan las configuraciones geométricas y su impacto en el rendimiento.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 49 3.2. Diseño de las aspas: curvatura, ángulo y disposición El diseño de las aspas del aerogenerador incorpora elementos comunes para garantizar tanto la estabilidad estructural y la funcionalidad del sistema, mientras que las variaciones en la curvatura de modelos permiten investigar su influencia aerodinámica. Este planteamiento experimental tiene como objetivo incrementar la eficiencia y flexibilidad del aerogenerador, manteniendo una base uniforme en todos los modelos. La base de las aspas es un componente central en la estructura del aerogenerador, funcionando como el punto de enlace entre las aspas y el motor. Con medidas de 173 mm de diámetro y un grosor de 3,5 mm, también dispone de una extrusión de cilíndrica de 70 mm, con un radio exterior de 14,8 mm y un grosor de 2,5 mm. Este cilindro se utiliza para facilitar la conexión con el motor, mejorando el montaje en el túnel de viento y permitiendo pruebas más precisas. Adicionalmente, la base incluye tres agujeros dispuestos de forma simétrica, a 120 grados, para la fijación de las aspas. Estos puntos de unión aseguran una conexión robusta, distribuyendo las cargas equitativamente y garantizando una estabilidad del rotor durante una unión durante su funcionamiento. Este diseño se complementa con el diseño de acoplamiento hexagonal, una innovación para la eliminación del eje central.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 50 Ilustración 16: Agujero para el alojamiento de la tuerca para la unión de las aspas a la base. Fuente: [16] Dichas perforaciones se unen a las aspas, pasantes en la base y de una profundidad de 24,5 mm, con un diámetro de 1,3 mm. Asimismo, en la parte de las aspas se halla un orificio diseñado para alojar una tuerca, de 4 mm de altura y 6,5 mm de ancho, actuando como tope para usar como unión con la base. La distribución de las aspas coincide con los agujeros de la base, a 120 grados asegurando un flujo de viento uniforme alrededor del rotor, minimizando así las vibraciones no deseadas y mejorar la estabilidad dinámica del sistema, incluso en condiciones de viento variable. Esta configuración geométrica se adoptó tras analizar patrones de flujo que maximizan la eficiencia aerodinámica y la asegurando la resistencia estructural.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 51 Ilustración 17: Perforación para el alojamiento del taco que sirve de unión entre las aspas, la parte superior e inferior. Fuente: [17] Se han dividido las aspas del aerogenerador en 2 partes, para favorecer la impresión y evitar imperfecciones a la hora de la impresión 3D. Se han dispuesto 3 orificios en cada una de las aspas de manera que se uniran unas con otras mediante tacos. Como se muestra en la ilustración 8, ambas partes de disponen de una profundidad de 20 mm cada una, y un diametro de 1,8 mm. Estos se encuentran a 20, 50 y 80 grados, justo a 52,5 mm de distancia del centro del aspa.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 52 Ilustración 18: Vista superior de cómo se unen las aspas unas con otras. Fuente: [18] La union hexagonal de las aspas se unen a si mismas mediante tornilleria. Estas perforaciones, se distribuyen a lo largo de la vertical, uniendo unas con otras como se muestra en la imagen. Estas disponen del orificio de 3 mm de diametro, junto con un tope de 5 mm de diametro, donde se alojaria la cabeza del tornillo y la tuerca. Modelo 1 El primer modelo del aerogenerador presenta el mismo diseño que los demás, pero todos ellos presentan diferencias. Las dimensiones del modelo 1 tiene un radio de 95,05 mm y una altura de 200 mm. El diseño del aspa tiene un grosor de 5 mm y un radio de 50 mm.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 59 necesarios para su operación. Este proceso exigió una atención detallada para asegurar la correcta alineación, estabilidad y rendimiento de todos los elementos. El proceso de ensamblaje se inició preparando las piezas impresas en 3D, incluyendo una base circular con una extrusión y las aspas de los 3 modelos. La base, diseñada con un diámetro de 173 mm, con un grosor de 3,5 mm, y una extrusión de 70 mm, se fija al motor utilizando un sistema de conexión ajustado que garantiza que no se desplace del motor. Los tres orificios presentes en la base facilitan la fijación y alineación de las aspas, aportando una buena estabilidad. Este sistema permite un montaje y desmontaje rápido y preciso, eliminando el eje central y simplificando notablemente el procedimiento. Lo primero en la unión del aerogenerador es el ensamblaje de las aspas, primero se unen la parte inferior de estas, unas con otras, utilizando 3 tornillos de M3x8 mm, fijándose mediante una tuerca hexagonal de M3. Se añade solidez mediante un pegamento eficaz, para tapar las pequeñas filtraciones. Seguidamente se unen las aspas superiores del mismo modo y con las mismas herramientas y métodos. La unión entre las dos partes se hace mediante tacos de 1,8 mm de diámetro. Acto seguido, las aspas se montan en un rotor con una disposición de 120 grados entre sí, diseñadas para mantener un flujo de viento uniforme y minimizar las vibraciones en funcionamiento. Cada aspa se conecta firmemente a la base mediante 3 tornillos de M3x30 mm y un pegamento eficaz, fijando todo esto mediante tuercas, para asegurar una unión robusta y capaz de soportar las fuerzas aerodinámicas generadas en el túnel de viento. Una vez ensambladas la base y las aspas, se procede a la unión al motor, dicha unión se hace a través de una pequeña moldura para la correcta fijación de las aspas. Se utiliza una extrusión de corte de 2,5 mm de diámetro y 7 mm de largo, a 4 mm del final de la extrusión de la base. En dicha unión se utiliza un tornillo de M3x4 mm, fijado mediante la presión aportada por el material del aerogenerador y la muestra del eje del motor. Una vez completado el ensamblaje, se lleva a cabo una inspección funcional del aerogenerador. Este proceso consiste en inspeccionar la estabilidad estructural, la verificación del giro libre del rotor y la verificación de la integridad del sistema de unión entre
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 60 las aspas y la base. Se realizarán ajustes menores para optimizar la fijación de los elementos y asegurar que el sistema estuviera listo para las pruebas experimentales. Una vez preparado y revisado la inspección, se procede a la preparación de las pruebas en el túnel de viento, donde se evaluarán los tres modelos de aspas bajo condiciones controladas. Este proceso asegura la funcionalidad y la estabilidad estructural del sistema, proporcionando una base sólida para los estudios de rendimiento y comportamiento aerodinámico. En conclusión, el ensamblaje del aerogenerador fue un proceso crucial en todas las etapas previas de diseño y producción. La correcta integración de las piezas y los sistemas mecánicos garantizan que el dispositivo esté preparado para ser evaluado experimentalmente, aportando información valiosa para el desarrollo y perfeccionamiento de futuros prototipos. 3.5. Montaje y ensamble al túnel de viento El túnel de viento empleado en este trabajo, cedido por la universidad, constituye una herramienta calve para evaluar el desempeño del aerogenerador diseñado. Aunque su construcción original se remonta a un proyecto de más de 2 décadas, se ha adaptado para satisfacer las necesidades del proyecto. Entre las modificaciones implementadas se encuentra la extensión del túnel, desplazando a la parte trasera el ventilador, modelo NEMA 23, de la marca Teknic, Inc., para disponer de un análisis más detallado y real del viento. Como parte de estas mejoras, se incorporó un alargo al cable de alimentación del ventilador, permitiendo conectarlo a una fuente de alimentación externa y asegurando una operación estable y versátil. Asimismo, se ha reforzado su base, garantizando una mejor estabilidad y sujeción que elimina las interferencias derivadas de movimiento y vibraciones no deseadas. El túnel de viento este fabricado con materiales reciclables, usando 2 cubos de pintura. Se ha recortado ambas partes inferiores y se han unido las superiores alargándolo. Una de las partes inferiores se ha recortado para la incorporación, con precisión, del ventilador. El sistema incorpora un ventilador en DC de 12V capaz de proporcionar velocidades controladas y estables, permitiendo reproducir las condiciones óptimas de operación del aerogenerador. Además, dispone de una apertura circular en la parte inferior del túnel, que
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 61 permite el paso del cilindro de la base para acoplarlo al motor, evitando así perdidas por rozamiento. Este detalle técnico facilita mediciones precisas del par y las revoluciones, integrando de forma directa el sistema de monitoreo directamente con las pruebas. Previo a instalar el aerogenerador en el túnel de viento, se efectuaron pruebas iniciales para verificar, que el ventilador, funcione correctamente y pueda producir velocidades de entre 2 m/s a 10 m/s. Asimismo, estas mediciones se realizaron mediante un anemómetro, Benetech GM816, en diferentes puntos de la salida del túnel de viento. Estas pruebas confirman que el flujo de aire es uniforme y que el conducto esta alineado de manera adecuada. Además, se verifica la estabilidad de la base de madera y las uniones, y se comprueba que el túnel está a nivel, asegurando la exactitud de las mediciones. El montaje del aerogenerador se efectúa siguiendo un procedimiento preciso. Inicialmente, el rotor fue colocado en la parte inferior del túnel, asegurando que entre con un margen necesario para garantizar el flujo de viento. Se empleo un nivel para verificar que el rotor estuviera perfectamente perpendicular al flujo de aire del ventilador, garantizando así una medición precisa y constante. Tras finalizar el montaje, se llevaron a cabo pruebas preliminares de rotación, sin intervención del viento, con el fin de evaluar la estabilidad del sistema y comprobar la correcta alineación de las aspas. En estas pruebas se identificaron y corrigieron posibles problemas relacionados con vibraciones o desbalances, esto garantiza un buen sistema para las pruebas. Además, estas pruebas preliminares permitieron el ajuste del flujo de aire del ventilador, mejorando las condiciones en el entorno de trabajo dentro del túnel. Las mejoras implementadas en el túnel de viento, como la extensión de su conducto principal y la incorporación de la perforación inferior, han incrementado notablemente su capacidad para analizar el rendimiento del aerogenerador. Estas adaptaciones no solo permiten evaluar el diseño teórico, sino también ajustar aspectos prácticos fundamentados en los datos experimentales obtenidos. Aunque se trate de un dispositivo antiguo, el túnel adaptado ha demostrado ser una herramienta eficaz para validar el diseño del aerogenerador, proporcionando un entorno controlado para medir y optimizar las variables clave en su
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 62 desempeño. Este montaje garantiza que el sistema esté listo para someterse a pruebas experimentales exhaustivas, cruciales para alcanzar los objetivos establecidos.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 63 4. Simulaciones 4.1. Herramientas y Métodos En esta sección se explican los métodos y herramientas utilizadas para analizar el comportamiento de aerogenerador diseñado. Se combinan simulaciones computacionales basados en CFD y experimentales en ensayos en túnel de viento, lo que permite obtener una perspectiva completa y certificada del rendimiento aerodinámico de los diseños. 4.1.1. Software CFD: SolidWorks Flow Simulation El software SolidWorks se ha empleado como herramienta principal para efectuar las simulaciones computacionales de dinámica de fluidos en el diseño del aerogenerador de eje vertical. Se ha escogido por su integración eficaz con los modelos 3D diseñados previamente y en sus funcionalidades avanzadas para calcular aspectos aerodinámicos importantes y presentar resultados con un alto nivel de detalle. El desarrollo de la simulación empieza con la carga del modelo tridimensional del aerogenerador. Para garantizar la exactitud del análisis, se establece un dominio computacional que simula el comportamiento del flujo del aire en torno al dispositivo, estableciendo distancias apropiadas tanto en las zonas laterales y superiores como en la frontal y trasera. La elaboración de la malla es esencial, resaltando el refinamiento en las áreas próximas a las aspas, para detallar el flujo y mantener un equilibrio en la precisión con los tiempos de cálculo. La configuración inicial abarca la selección de las propiedades del fluido, para este proyecto, se modelo el aire como fluido incompresible con una densidad de 1,225 kg/m³ y una viscosidad dinámica de 1,81 · 10⁻⁵ Pa·s, parámetros correspondientes al estándar al nivel del mar. Además, se establecen las condiciones de contorno, definiendo entradas con velocidades constantes de entre 2 m/s y 10 m/s, una salida con presión atmosférica de 1 atm y bordes libres que garantizan un flujo estable. Las pruebas computacionales se ejecutaron con un modelo de turbulencia idóneo para flujos complejos, asegurando que los resultados reflejaran fielmente el comportamiento real del aerogenerador.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 64 El proceso de simulación contemplo diversas fases calve para obtener un análisis detallado y preciso del sistema. Se establecieron objetivos incluyendo parámetros clave como la presión total máxima, las velocidades promedio y máximas en las direcciones X, Y y Z, fuerzas en los ejes X, Y y Z, y el torque generador por el sistema. Estos datos fueron esenciales para el comportamiento aerodinámico del aerogenerador. 4.1.1.1. Configuración inicial La configuración inicial de la simulación en SolidWorks Flow Simulation describe los valores de entrada empleados para el análisis del aerogenerador de eje vertical, abarcando la definición del dominio computacional, las secciones de fluido y las áreas rotativas que simulan el movimiento de las aspas. También se describen las condiciones de contorno, encargadas de establecer los valores de velocidad de entrada del aire y la presión de salida en condiciones ambientales. Esta configuración es clave para garantizar que las simulaciones reflejen con precisión las condiciones reales de funcionamiento del sistema y permitan un análisis detallado de los efectos aerodinámicos.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 65 Ilustración 24: Configuración de simulación CFD en SolidWorks Flow Simulation. Fuente: [24] A continuación, se exponen los resultados obtenidos a lo largo de las iteraciones de simulación. En ellos se incluyen los valores actuales y promedio alcanzados para cada objetivo, así como presiones, velocidades, fuerzas y torques, junto con el progreso hacia los criterios de convergencia. Además, se incorpora una gráfica que estandariza los valores iterativos, evidenciando como cada variable evoluciona hasta estabilizarse en su valor final. Esta información no solo respalda la fiabilidad de la simulación, sino que también permite un análisis profundo del rendimiento del aerogenerador en las condiciones evaluadas.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 66 Ilustración 25: Resultados de convergencia en simulación CFD en SolidWorks Flow Simulation. Fuente: [25] 4.1.1.2. Flow Trajectories El análisis de Flow Trajectories constituye un papel clave en las simulaciones de dinámica de fluidos, ya que permite representar visualmente las trayectorias del flujo de aire alrededor de un dispositivo, en este caso, un aerogenerador de eje vertical. Este tipo de análisis emplea líneas de corriente para evidenciar la interacción del viento con las aspas y utiliza una escala cromática para visualizar las variaciones de velocidad. Esta técnica resulta clave para comprender la aerodinámica del sistema y así optimizar su rendimiento.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 67 Ilustración 26: Flow Trajectories en SolidWorks Flow Simulation. Fuente: [26] La simulación describe la dinámica del flujo al interactuar con las aspas del aerogenerador. Las líneas de corriente evidencian la desviación del aire alrededor del sistema, resaltando las áreas donde se producen turbulencias y separaciones de flujo. La escala cromática indica la velocidad del aire, con tonos rojos para las más altas y los tonos azules para las más bajas. Esta herramienta es fundamental para detectar zonas críticas en el diseño. En la zona posterior de las aspas, se detectan zonas con velocidades reducidas y flujo turbulento, lo que evidencia la presencia de separación del flujo. Como consecuencia, se incrementa la resistencia aerodinámica y disminuye la eficiencia en la conversión de energía del viento. Por lo contrario, en la parte delantera, las líneas de corriente muestran una distribución más uniforme, permitiendo una interacción más optima con la corriente del aire. Los resultados obtenidos a partir de este estudio permiten identificar carencias en el diseño actual, tales como geométricas que no optimizan el flujo o disposiciones que originan turbulencias no deseadas. Estas conclusiones representan una base sólida para implementar mejoras en el aerogenerador, con el fin de mejorar su funcionamiento y aumentar su eficiencia operativa.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 68 4.1.1.3. Surface Plots El estudio de Surface Plots es una metodología aplicada en simulaciones de dinámica de fluidos para representar gráficamente la distribución de una variable, como la presión, sobre la superficie del modelo. En este caso, posibilita la observación detallada de como las fuerzas de presión se dispersan a lo largo de las aspas y otras partes del aerogenerador. Esta herramienta resulta clave para identificar regiones con distintos niveles de presión, analizar las fuerzas que influyen en la estructura y entender su impacto en la eficiencia aerodinámica. Ilustración 27: Surface Plot en SolidWorks Flow Simulation. Fuente: [27]
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 75 Finalmente, las gráficas que relacionan el coeficiente de potencia con la velocidad de punta proporcionan información crucial para optimizar la futura del diseño, lo que permite realizar ajustes en la geometría y configuración del aerogenerador con el objetivo de mejorar su eficiencia y optimizar la captación de energía eólica. 4.2.2. Resultados de las simulaciones computacionales para los tres modelos Modelo 1 En el modelo 1 se incluyen las tablas con los parámetros obtenidas en las simulaciones, como el torque, la velocidad angular y el coeficiente de potencia, además de las gráficas que muestran la evolución del coeficiente de potencia con respecto a la velocidad de punta. A continuación, se presentan los valores obtenidos: Ilustración 31: Grafica Torque vs TSR de Modelo 1. Fuente: [31]
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 76 La relación entre el torque y el Tip Speed Ratio TSR muestra un comportamiento generalmente esperado para un aerogenerador de tipo Savonius. En la ilustración 31 se presentan las gráficas obtenidas a partir de las simulaciones realizadas en SolidWorks, mientras que las tablas con los valores numéricos se encuentran en el Anexo 2.1. La tendencia del torque en función del TSR indica que el torque aumenta con el TSR hasta aproximadamente TSR igual a 2 donde alcanza su valor máximo antes de estabilizarse o decrecer ligeramente. Este comportamiento es típico de los aerogeneradores Savonius ya que a valores de TSR demasiado altos la velocidad del rotor supera la capacidad del viento para transferir energía eficientemente. Para valores de TSR menores a 0.3 algunos valores de torque son extremadamente bajos lo que sugiere que en estas condiciones el rotor podría estar experimentando resistencia en lugar de generación de potencia. Esto es consistente con el comportamiento de los aerogeneradores Savonius en los cuales el arrastre aerodinámico juega un papel predominante en la conversión de energía. Se observa que a velocidades más altas del viento superiores a 5 m/s el torque crece más rápidamente con el TSR. Sin embargo, para valores altos de TSR el torque presenta mayores fluctuaciones lo que puede estar relacionado con efectos aerodinámicos no lineales o con la formación de turbulencias en la zona de estela del rotor. A velocidades altas del viento de 9 a 10 m/s los valores del torque muestran una variabilidad más pronunciada lo que puede estar asociado con la generación de vórtices y efectos de separación del flujo que afectan la estabilidad del aerogenerador. La tendencia general es coherente con la teoría de aerogeneradores Savonius, aunque la presencia de valores irregulares en algunos puntos sugiere que la simulación podría beneficiarse de un mayor refinamiento en la malla o una evaluación más precisa de las condiciones de contorno.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 77 Ilustración 32: Grafica Cp vs TSR de Modelo 1. Fuente: [32] El coeficiente de potencia Cp que mide la eficiencia con la que el aerogenerador convierte la energía del viento en energía mecánica presenta una tendencia que refleja el comportamiento esperado en aerogeneradores de eje vertical. En la Ilustración 32 se muestran las gráficas obtenidas a partir de los resultados de SolidWorks mientras que las tablas con los valores numéricos se encuentran en el Anexo 2.1. En general el Cp aumenta con el TSR lo cual es consistente con el comportamiento esperado. A valores bajos de TSR menores a 0.5 los valores de Cp son extremadamente pequeños lo que indica que en esta zona el aerogenerador no está captando suficiente energía del viento. En la mayoría de los casos el coeficiente de potencia alcanza su máximo en el rango de TSR entre 2 y 2.5 lo cual concuerda con el comportamiento teórico de los aerogeneradores Savonius que tienden a operar con mayor eficiencia en este intervalo. Se observan algunas irregularidades en ciertos valores de TSR donde los coeficientes de potencia muestran fluctuaciones significativas en particular a altas velocidades del viento.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 78 Esto puede estar asociado con efectos de separación del flujo e interacción con la estela del aerogenerador lo que genera cambios en la eficiencia aerodinámica del sistema. En la literatura el Cp máximo de aerogeneradores Savonius suele estar en el rango de 0.1 a 0.3. Los datos obtenidos en la simulación muestran un Cp máximo de aproximadamente 0.25 lo cual se encuentra dentro de valores razonables, aunque algunas fluctuaciones en valores específicos sugieren que puede haber efectos aerodinámicos que no se capturan completamente en la simulación. Los datos muestran una tendencia general razonable pero las fluctuaciones en valores bajos de TSR y ciertas inconsistencias sugieren que la simulación podría beneficiarse de un análisis más detallado. Aun así, el comportamiento del Cp es compatible con la eficiencia esperada de un aerogenerador Savonius. Modelo 2 En el modelo 2, los resultados evidencian una optimización del rendimiento cuando se expone a vientos más intensos. La siguiente tabla y grafica exponen los datos restantes: Ilustración 33: Grafica Torque vs TSR de Modelo 2. Fuente: [33]
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 79 La relación entre el torque y el Tip Speed Ratio TSR muestra un comportamiento característico de los aerogeneradores de tipo Savonius. En la Ilustración 33 se presentan las gráficas obtenidas a partir de las simulaciones realizadas en SolidWorks, mientras que las tablas con los valores numéricos se encuentran en el Anexo 2.2. La tendencia del torque en función del TSR indica que el torque aumenta con el TSR hasta aproximadamente TSR igual a 2 donde alcanza su valor máximo antes de estabilizarse o decrecer ligeramente. Este comportamiento es típico de los aerogeneradores Savonius ya que a valores de TSR demasiado altos la velocidad del rotor supera la capacidad del viento para transferir energía eficientemente. Para valores de TSR menores a 0.3 algunos valores de torque son extremadamente bajos lo que sugiere que en estas condiciones el rotor podría estar experimentando resistencia en lugar de generación de potencia. Esto es consistente con el comportamiento de los aerogeneradores Savonius en los cuales el arrastre aerodinámico juega un papel predominante en la conversión de energía. Se observa que a velocidades más altas del viento superiores a 5 m/s el torque crece más rápidamente con el TSR. Sin embargo, para valores altos de TSR el torque presenta mayores fluctuaciones lo que puede estar relacionado con efectos aerodinámicos no lineales o con la formación de turbulencias en la zona de estela del rotor. A velocidades altas del viento de 9 a 10 m/s los valores del torque muestran una variabilidad más pronunciada lo que puede estar asociado con la generación de vórtices y efectos de separación del flujo que afectan la estabilidad del aerogenerador. La tendencia general es coherente con la teoría de aerogeneradores Savonius, aunque la presencia de valores irregulares en algunos puntos sugiere que la simulación podría beneficiarse de un mayor refinamiento en la malla o una evaluación más precisa de las condiciones de contorno.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 80 Ilustración 34: Grafica Cp vs TSR de Modelo 2. Fuente: [34] El coeficiente de potencia Cp que mide la eficiencia con la que el aerogenerador convierte la energía del viento en energía mecánica presenta una tendencia que refleja el comportamiento esperado en aerogeneradores de eje vertical. En la Ilustración 34 se muestran las gráficas obtenidas a partir de los resultados de SolidWorks mientras que las tablas con los valores numéricos se encuentran en el Anexo 2.2. En general el Cp aumenta con el TSR lo cual es consistente con el comportamiento esperado. A valores bajos de TSR menores a 0.5 los valores de Cp son extremadamente pequeños lo que indica que en esta zona el aerogenerador no está captando suficiente energía del viento. En la mayoría de los casos el coeficiente de potencia alcanza su máximo en el rango de TSR entre 2 y 2.5 lo cual concuerda con el comportamiento teórico de los aerogeneradores Savonius que tienden a operar con mayor eficiencia en este intervalo. Se observan algunas irregularidades en ciertos valores de TSR donde los coeficientes de potencia muestran fluctuaciones significativas en particular a altas velocidades del viento.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 81 Esto puede estar asociado con efectos de separación del flujo e interacción con la estela del aerogenerador lo que genera cambios en la eficiencia aerodinámica del sistema. En la literatura el Cp máximo de aerogeneradores Savonius suele estar en el rango de 0.1 a 0.3. Los datos obtenidos en la simulación muestran un Cp máximo de aproximadamente 0.15 a 0.25 lo cual se encuentra dentro de valores razonables, aunque ligeramente por debajo de lo esperado lo que podría indicar pérdidas de eficiencia debido a efectos aerodinámicos complejos no capturados completamente en la simulación. Los datos muestran una tendencia general razonable pero las fluctuaciones en valores bajos de TSR y ciertas inconsistencias sugieren que la simulación podría beneficiarse de un análisis más detallado. Aun así, el comportamiento del Cp es compatible con la eficiencia esperada de un aerogenerador Savonius. Modelo 3 En el modelo 3 fue desarrollado con ajustes en la forma de las aspas para maximizar su eficiencia en un rango más amplio de TSR. La siguiente tabla y grafica exponen los datos restantes:
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 82 Ilustración 35: Grafica Torque vs TSR de Modelo 3. Fuente: [35] La relación entre el torque y el Tip Speed Ratio TSR muestra un comportamiento característico de los aerogeneradores de tipo Savonius. En la Ilustración 35 se presentan las gráficas obtenidas a partir de las simulaciones realizadas en SolidWorks, mientras que las tablas con los valores numéricos se encuentran en el Anexo 2.3. La tendencia del torque en función del TSR indica que el torque aumenta con el TSR hasta aproximadamente TSR igual a 2 donde alcanza su valor máximo antes de estabilizarse o decrecer ligeramente. Este comportamiento es típico de los aerogeneradores Savonius ya que a valores de TSR demasiado altos la velocidad del rotor supera la capacidad del viento para transferir energía eficientemente. Se observan algunas irregularidades en los valores de torque especialmente en TSR bajos donde algunos valores muestran fluctuaciones o comportamientos inesperados. Estas variaciones pueden deberse a efectos aerodinámicos complejos en la simulación como la formación de vórtices y la interacción del flujo con las aspas en movimiento.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 83 A velocidades más altas del viento superiores a 5 m/s el torque tiende a aumentar con mayor rapidez, aunque presenta oscilaciones en ciertos puntos lo que puede estar asociado a inestabilidades en la simulación. A valores elevados de TSR se observa una mayor dispersión en los datos de torque lo que sugiere que el rendimiento del aerogenerador puede verse afectado por efectos aerodinámicos adicionales que no son capturados completamente en la simulación. En valores de TSR superiores a 2.5 se observan valores del torque que no siguen una tendencia clara lo que puede deberse a la transición entre regímenes de flujo estable y flujo turbulento alrededor del rotor. Ilustración 36: Grafica Cp vs TSR de Modelo 3. Fuente: [36] El coeficiente de potencia Cp que mide la eficiencia con la que el aerogenerador convierte la energía del viento en energía mecánica presenta una tendencia variable con algunas oscilaciones significativas. En la Ilustración 36 se muestran las gráficas obtenidas a partir de los resultados de SolidWorks mientras que las tablas con los valores numéricos se encuentran en el Anexo 2.3.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 84 En general el Cp aumenta con el TSR alcanzando sus valores máximos en un rango cercano a TSR igual a 2. Sin embargo, se observan valores atípicos en algunos puntos lo que puede indicar que la simulación no captura completamente la interacción del flujo con las aspas del aerogenerador. A bajas velocidades del viento los valores de Cp son pequeños lo que indica que el aerogenerador tiene una baja eficiencia en estas condiciones lo cual es un comportamiento esperado. Sin embargo, a TSR altos algunos valores de Cp son inusualmente elevados lo que puede deberse a errores en la simulación o efectos aerodinámicos no lineales. Se observa que en algunos valores de TSR se presentan variaciones bruscas en el coeficiente de potencia lo que sugiere que la simulación puede estar generando resultados inconsistentes en ciertas condiciones de flujo. En la literatura el Cp máximo de aerogeneradores Savonius suele estar en el rango de 0.1 a 0.3. En los resultados obtenidos en la simulación se observan valores que en algunos casos superan este rango lo que indica la necesidad de realizar un análisis más detallado para validar la precisión de los datos obtenidos.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 91 tiempo real. Además, se han implementado filtros digitales para reducir el ruido en las mediciones y asegurar mayor precisión en los valores registrados. El sistema de monitoreo desarrollado permite identificar variaciones en la carga del motor y realizar ajustes automáticos en el control. Esto proporciona un funcionamiento estable y eficiente, reduciendo posibles fallos y optimizando el desempeño del motor en cualquier condición de operación.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 92 6. Pruebas en el Túnel de Viento 6.1. Preparación y montaje Para realizar las pruebas en el túnel del viento, se aplica una serie de procedimientos que asegura la correcta instalación del aerogenerador y la obtención de datos fiables. Debido a la geometría circular del túnel, se lleva a cabo una preparación minuciosa para asegurar una óptima instalación. En las pruebas, se empelo un túnel de viento con una sección de ensayo de 30 cm de diámetro, adecuada para el aerogenerador diseñado, que cuenta con un radio y una altura máxima de 9,505 cm y 23 cm, respectivamente. Se realizaron comprobaciones preliminares para asegurar estabilidad y uniformidad del flujo de aire en la región de ensayo. El proceso de instalación del aerogenerador en el túnel de viento se realiza fijando su base, de 17,3 cm de diámetro, de manera firma, y a través de una extrusión en su base inferior de 7 cm. Dicha extrusión se ancla a la máquina de lectura, pasando por un agujero, lo suficientemente ancho, para que no haya rozamiento. Se implementan medidas adicionales para garantizar que la estructura soporta las vibraciones generadas durante el ensayo. Se verifico la alineación precisa de las aspas con la dirección del flujo de aire en el túnel, minimizando turbulencias y asegurando mediciones exactas. Además, se integraron sensores para registrar la velocidad de rotación, el torque y mecánicas para evitar posibles errores en la adquisición de datos. Las pruebas se realizaron bajo distintas velocidades del viento, variando entre 2 m/s y 10 m/s, con el propósito de analizar el desempeño del aerogenerador en diferentes situaciones. Antes de iniciar las mediciones definitivas, se realizaron ensayos preliminares para calibrar los sensores y se establecieron las condiciones de referencia. Estos registros permitieron establecer una correlación precisa ente la potencia suministrada y la velocidad del aire, asegurando un control adecuado de las condiciones experimentales y la repetitividad de las pruebas. Este proceso se lleva a cabo sin interferencias externas, utilizando únicamente el túnel de viento.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 93 Antes de empezar con las simulaciones, también se realizaron mediciones de manera aleatoria de tensión, estableciendo un valor especifico y obtener cinco registros con el anemómetro. Este procedimiento se realizó múltiples veces hasta obtener una referencia fiable de las velocidades que se emplearon en los ensayos posteriores. Las gráficas correspondientes a estos registros se incluirán para representar la relación entre la tensión aplicada y la velocidad del viento generada. Tabla 3: Relación entre tensión de alimentación y velocidad en diferentes puntos de medición. La tabla presentada muestra la relación entre la tensión aplicada y la velocidad del viento dentro del túnel de viento. Los valores de tensión varían desde 1V hasta 20V, registrando mediciones en cinco puntos distintos y calculando una media para cada nivel de tensión. Se
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 94 observa que a medida que la tensión aumenta, la velocidad media del viento también lo hace, reflejando una tendencia esperada en el comportamiento del sistema. Sin embargo, los datos indican que la velocidad máxima alcanzada es de aproximadamente 5 m/s, lo cual es significativamente menor a la expectativa inicial de 10 m/s. Este resultado sugiere que el túnel de viento no está generando la velocidad esperada, lo que podría deberse a factores como la capacidad del sistema, la eficiencia del flujo de aire dentro del túnel, posibles pérdidas de energía por fricción o la ubicación de los sensores de medición. A pesar de esta limitación, la tabla proporciona información valiosa sobre el desempeño del sistema en sus condiciones actuales, permitiendo evaluar su funcionamiento y considerar ajustes en el diseño o la operación para mejorar la velocidad del viento si fuera necesario. Además, se incluye una gráfica que representa la relación entre la tensión y la velocidad del viento, mostrando visualmente la tendencia creciente de la velocidad en función de la tensión aplicada y permitiendo identificar posibles variaciones o errores experimentales en las mediciones. Ilustración 41: Grafica de relación entre tensión aplicada y velocidad del viento generado. Fuente: [42]
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 95 6.2. Resultados experimentales para los tres modelos Los resultados expuestos en esta sección provienen de pruebas experimentales en un ambiente bajo condiciones controladas. Aunque los datos reflejan el comportamiento característico de cada modelo de aspa, deben interpretarse dentro del contexto de estas condiciones idealizadas, ya que en un escenario real pueden producirse desviaciones debido a factores externos no replicados en un túnel de viento. Los datos se procesan y configuran a través de MATLAB, lo que permite realizar un estudio detallado de las mediciones obtenidas. A partir de estas pruebas, se llevan a cabo comparaciones entre los modelos de aspas, evaluando su desempeño en un rango de velocidades de viento entre 1 m/s y 5 m/s, así como velocidades angulares de hasta 340 rpm. Para cada uno de los modelos, se ha obtenido una gráfica que representa la interacción entre la velocidad del viento, la velocidad angular y el torque obtenido. A partir de los valores de torque, se calculó el coeficiente de potencia, cuyos valores se incluyen en una tabla adicional y se representan en una segunda grafica. Modelo 1 En el modelo 1, la gráfica de Torque en función del TSR (Tip Speed Ratio) muestra la evolución del torque generado por el aerogenerador a diferentes velocidades del viento. Se observa que, a medida que el TSR aumenta, el torque experimenta una tendencia creciente hasta alcanzar un valor máximo, seguido de una ligera estabilización. Esto indica que existe un punto óptimo en el que el aerogenerador genera el mayor torque antes de que la eficiencia comience a disminuir.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 96 Ilustración 42: Grafica Torque vs TSR en simulación experimental de Modelo 1. Fuente: [43] El comportamiento varía en función de la velocidad del viento, con valores más altos de torque a velocidades mayores. En particular, se observa que para TSR entre 1,5 y 2,5, el torque alcanza su punto máximo, especialmente en velocidades de 4 m/s y 5 m/s, lo que sugiere que esta región es la más eficiente para el desempeño del aerogenerador. Los valores específicos de torque para cada TSR y velocidad del viento se encuentran en el Anexo 3.1. La gráfica de Cp vs. TSR permite evaluar la eficiencia del aerogenerador en términos de conversión de la energía cinética del viento en energía mecánica útil. Se observa que el coeficiente de potencia sigue una curva ascendente hasta alcanzar un valor máximo y posteriormente decrece. Este comportamiento es característico de aerogeneradores Savonius, donde el rendimiento es óptimo en un rango específico de TSR.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 97 Ilustración 43: Grafica Cp vs TSR en simulación experimental de Modelo 1. Fuente: [44] Los valores de Cp alcanzan su máximo entre TSR 2,1 y 2,5, donde se logra la mejor eficiencia aerodinámica. A velocidades de viento más altas, el coeficiente de potencia también muestra incrementos, aunque la eficiencia relativa tiende a estabilizarse. Esto confirma que operar el aerogenerador dentro de este rango de TSR es clave para maximizar la conversión de energía. Los valores específicos de Cp para cada TSR y velocidad del viento se encuentran en el Anexo 3.1. Modelo 2 En el modelo 2, la gráfica de Torque en función del TSR (Tip Speed Ratio) permite visualizar la evolución del torque generado por el aerogenerador a diferentes velocidades del viento. Se observa que, a medida que el TSR aumenta, el torque también incrementa, alcanzando un valor máximo antes de estabilizarse.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 98 Ilustración 44: Grafica Torque vs TSR en simulación experimental de Modelo 2. Fuente: [45] En particular, los valores de torque aumentan progresivamente hasta un rango de TSR entre 2,1 y 2,5, donde se observa el mejor desempeño. A velocidades de viento más altas, el torque generado es significativamente mayor, lo que confirma que el aerogenerador responde favorablemente a condiciones de mayor velocidad del viento. Este comportamiento es esencial para identificar el rango óptimo de operación del sistema. Para un análisis detallado de los valores específicos de torque a diferentes velocidades del viento y TSR, se pueden consultar las tablas en el Anexo 3.2. La gráfica de Cp vs. TSR permite evaluar la eficiencia aerodinámica del aerogenerador, mostrando la fracción de energía del viento que se convierte en energía mecánica útil. Se observa que el coeficiente de potencia sigue una tendencia creciente hasta un valor máximo, tras el cual comienza a disminuir.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 99 Ilustración 45: Grafica Cp vs TSR en simulación experimental de Modelo 2. Fuente: [46] El valor máximo de Cp se alcanza en el rango de TSR entre 2,1 y 2,5, indicando que este es el punto óptimo de operación para maximizar la eficiencia del aerogenerador. A velocidades más bajas, el Cp presenta valores significativamente menores, lo que sugiere que el rendimiento del aerogenerador es menos eficiente en condiciones de viento reducido. Los valores específicos de Cp para cada TSR y velocidad del viento se encuentran en el Anexo 3.2. Modelo 3 En el modelo 3, la gráfica de Torque en función del TSR (Tip Speed Ratio) muestra la evolución del torque generado por el aerogenerador a diferentes velocidades del viento. Se observa que el torque aumenta progresivamente con el incremento del TSR hasta alcanzar un valor máximo, seguido de una tendencia a la estabilización.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 100 Ilustración 46: Grafica Torque vs TSR en simulación experimental de Modelo 3. Fuente: [47] Los resultados indican que, en el rango de TSR entre 2,1 y 2,5, se alcanzan los valores más altos de torque, lo que sugiere que este es el intervalo óptimo de operación del aerogenerador en términos de generación de fuerza mecánica. A medida que la velocidad del viento aumenta, el torque generado es mayor, confirmando el buen desempeño del sistema en condiciones de mayor carga aerodinámica. Los valores específicos de torque para cada TSR y velocidad del viento se encuentran en el Anexo 3.3. La gráfica de Cp vs. TSR permite analizar la eficiencia del aerogenerador en la conversión de energía eólica en energía mecánica. Se observa que el coeficiente de potencia crece con el aumento del TSR hasta alcanzar un valor máximo, para luego descender.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 107 un mejor desempeño en términos de eficiencia energética. Además, su estabilidad mecánica y su menor nivel de vibraciones han contribuido a mantener un rendimiento más constante a lo largo del tiempo, lo que refuerza su viabilidad como la opción más rentable dentro del análisis realizado. En conclusión, el modelo seleccionado no solo ofrece el mejor equilibrio entre velocidad de rotación y generación de torque, sino que también garantiza una conversión de energía más eficiente en el tiempo, lo que lo convierte en la alternativa más adecuada para la implementación del aerogenerador vertical en futuras aplicaciones. 7.4. Limitaciones identificadas durante las pruebas Durante la realización de las pruebas experimentales se han identificado diversas limitaciones que han influido en la precisión de los datos obtenidos y en la interpretación de los resultados. Una de las principales restricciones radica en el tamaño del aerogenerador, ya que al tratarse de un dispositivo de dimensiones reducidas, la interacción con el flujo de aire es menor, lo que genera una influencia limitada y dificulta la obtención de datos precisos. Esta condición afecta la representatividad de los resultados y su extrapolación a sistemas de mayor envergadura. Asimismo, las simulaciones realizadas en SolidWorks han mostrado ciertas limitaciones, dado que este software, aunque útil para el diseño y la visualización del aerogenerador, no está específicamente desarrollado para la simulación aerodinámica detallada ni para la evaluación exhaustiva de flujos de viento y comportamiento energético. Como consecuencia, las lecturas y mediciones obtenidas en el entorno virtual presentan una menor precisión y no pueden considerarse como referencias definitivas para el análisis del rendimiento del sistema. En relación con las pruebas experimentales, el túnel de viento utilizado ha supuesto una limitación importante, ya que su capacidad máxima de generación de flujo de aire no supera los 5 m/s, restringiendo así el estudio del aerogenerador en condiciones de viento más
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 108 intensas. Esta limitación está directamente relacionada con la potencia del ventilador empleado, el cual opera a 12 V y no es capaz de proporcionar velocidades de aire superiores, reduciendo el alcance del análisis experimental y limitando la evaluación del comportamiento del aerogenerador en distintos escenarios operativos. Otra de las restricciones identificadas se encuentra en el motor utilizado para la toma de mediciones, el cual presenta una precisión limitada a bajas velocidades angulares. Se ha observado que el rendimiento óptimo del motor se sitúa en torno a las 2000 rpm, lo que implica que las mediciones realizadas por debajo de este umbral pueden presentar desviaciones significativas, afectando la fiabilidad de los datos obtenidos y la calidad del análisis comparativo entre diferentes condiciones de operación. Finalmente, se ha identificado que las pruebas realizadas en el túnel de viento no reflejan con exactitud un entorno real de operación, ya que la generación de flujo de aire en un entorno controlado carece de la variabilidad presente en condiciones naturales, donde factores como turbulencias, ráfagas y cambios de dirección afectan directamente el comportamiento del aerogenerador. Esta diferencia introduce una discrepancia entre los resultados experimentales obtenidos en laboratorio y el desempeño real del sistema en campo abierto, lo que dificulta la extrapolación de los datos y la validación precisa del rendimiento del aerogenerador en escenarios reales de aplicación.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 109 8. Presupuesto 8.1. Costes de materiales La construcción y el diseño del aerogenerador vertical han requerido la selección cuidadosa de materiales para garantizar su eficacia y robustez bajo condiciones de prueba. A continuación, se ofrece un desglose detallado de los materiales empleados, junto con su coste estimado. Tabla 4: Costes materiales. Material Cantidad Coste unitario Coste total Cesión por la universidad PLA (para impresión 3D) 936,77 gramos 20 €/kg 18,73 Sí Servomotor NEMA 23 1 unidad 50 € 50 € Sí Ventilador FAN MOTOR DC 12V 1 unidad 30 € 30 € Sí Cubo pintura vacío 2 unidad 4 € 8 € Sí Base de madera 1 unidad 8 € 8 € Sí Extensión de cable 2 metros 1,5 € 3 € Sí Anemómetro Benetech GM816 1 unidad 20 € 20 € No Tornillos y tuercas 1 pack 5 € 5 € No Total - - 142,73 € -
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 110 Como se aprecia en la tabla, la gran mayoría de los materiales han sido proporcionados por la universidad, de tal manera no se reflejan en el costo total. Por otro lado, existen algunos materiales que han sido tenido que ser adquiridos por mi cuenta ya que no se disponían de existencias o no se podían reutilizar de otro lado. El PLA fue el material empleado para la impresión 3D de las aspas y la base del aerogenerador. Con un consumo de 936,77 gramos, el coste de este material asciende a 18,73 €, lo que lo convierte en una alternativa económica y respetuosa con el medio ambiente para la producción de componentes. El servomotor M-2310P-LN-04K, de la compañía TEKINC, INC., tiene un precio de 50 €, se utiliza para generar un movimiento controlado del aerogenerador, simulando las condiciones reales de funcionamiento, durante las pruebas experimentales. Para proporcionar estabilidad al aerogenerador durante las pruebas, se empleó una base de madera con un coste de 8€. Esta base se unió al túnel de viento, compuesto por 2 cubos de pintura vacíos y recordando las partes inferiores, con un precio de 4 € la unidad. A este túnel, se le instalo un ventilador KSC-1231 DC 12V, de la compañía FAN MOTOR KSC, que tiene un precio de 30 €. Junto con un alargador de cable de 3 € para conectar el ventilador a una fuente de tensión. Para las mediciones de velocidad del viento se empleó un anemómetro Benetech GM816, con un coste de 20 €. Otros materiales complementarios, como tornillos y tuercas, tienen un precio de 5 €. En resumen, el coste total estimado de los materiales asciende a 142,73 €, lo que refleja una inversión eficiente y bien ajustada a los requisitos del proyecto. Los materiales seleccionados aseguran la viabilidad técnica y la económica, permitiendo alcanzar los objetivos establecidos para el correcto desarrollo del aerogenerador. 8.2. Costes asociados a software El desarrollo del aerogenerador vertical requirió el uso de herramientas de software para modelado, simulación y análisis. Estas herramientas fueron fundamentales para validar el
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 111 diseño, optimizar las aspas y evaluar el comportamiento aerodinámico del sistema en condiciones simuladas. A continuación, se desglosan los costes asociados a estas actividades. Tabla 5: Costes softwares. Elemento Coste Cesión por la universidad SolidWorks 4999 €/año Sí MATLAB 938 €/año Si Office 365 69 €/año Sí Creality Print 6.0 Gratis No Total 6006 €/año - SolidWorks se utiliza para el diseño de las piezas del aerogenerador y la realización de simulaciones 3D, tiene un precio de 4999€ anuales. Gracias a estar estudiando en la universidad UPC, dispongo de este software con licencia gratuita. MATLAB se emplea para el control y la recopilación de datos del servomotor, con un coste de 938 € anuales. Gracias a estar estudiando en la universidad UPC, dispongo de este software con licencia gratuita. Office 365, se emplea para el almacenaje de datos, tiene un coste de 69€ anuales. Gracias a estar estudiando en la universidad UPC, dispongo de este software con licencia gratuita. Creality Print 6.0 se utiliza para la parametrización de piezas para la posterior impresión 3D, su precio es gratuito. En resumen, el coste estimado de las herramientas utilizadas asciende a 6006 € anuales. Gracias a las licencias que tiene la universidad, y por ser estudiante de esta, se permite el uso sin coste directo, lo que supone una gran ventaja en la ejecución del proyecto.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 112 8.3. Costes desarrollo El coste relacionado con el desarrollo del proyecto se basa en las horas dedicadas a cada una de las etapas necesarias para completar el diseño, ensamblaje y validación del aerogenerador. Dichas etapas incluyen el diseño inicial, la fabricación de las piezas, el desarrollo del programa de control, las simulaciones experimentales y computacionales, la investigación técnica y la ejecución de pruebas. Se ha definido el valor promedio de mi trabajo en 14 €/hora. Tabla 6: Costes desarrollo. Etapa Horas dedicadas Coste por hora Coste total Diseño 120 14 € 1680 € Montaje 40 560 € Realización de programa 25 140 € Simulación 40 560 € Búsqueda de información 15 140 € Pruebas experimentales 100 350 € Total 340 - 3430 € 8.4. Evaluación económica global del proyecto La evaluación económica global del proyecto incluye la estimación completa de los costes asociados a los materiales, el software y las horas dedicadas al desarrollo del aerogenerador. Este análisis considera el escenario en el que la universidad no hubiese proporcionado acceso gratuito a software o herramientas, reflejando el coste real que tendría el proyecto en esas condiciones. A continuación, se presenta una tabla detallada.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 113 Tabla 7: Costes generales del proyecto. Elemento Categoría Cantidad Coste unitario Coste total PLA (para impresión 3D) Materiales 936,77 gramos 20 €/kg 18,73 Servomotor NEMA 23 Materiales 1 unidad 50 € 50 € Ventilador FAN MOTOR DC 12V Materiales 1 unidad 30 € 30 € Cubo pintura vacío Materiales 2 unidad 4 € 8 € Base de madera Materiales 1 unidad 8 € 8 € Extensión de cable Materiales 2 metros 1,5 € 3 € Anemómetro Benetech GM816 Materiales 1 unidad 20 € 20 € Tornillos y tuercas Materiales 1 pack 5 € 5 € SolidWorks Software 1 unidad 4999 €/año 4999 €/año MATLAB Software 1 unidad 938 €/año 938 €/año Office 365 Software 1 unidad 69 €/año 69 €/año Creality Print 6.0 Software 1 unidad Gratis Gratis Diseño Desarrollo 120 horas 14 € 700 € Montaje Desarrollo 40 horas 14 € 210 € Realización de programa Desarrollo 25 horas 14 € 140 € Simulación Desarrollo 40 horas 14 € 560 € Búsqueda de información Desarrollo 15 horas 14 € 140 € Pruebas experimentales Desarrollo 100 horas 14 € 350 €
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 114 Total - - - 9578,73 €
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 115 9. Análisis de Sostenibilidad e Implicaciones Éticas 9.1. Impacto ambiental del uso de materiales y procesos de impresión 3D El impacto ambiental del proyecto se reduce al emplear exclusivamente PLA (ácido poliláctico) como material principal en la impresión 3D de las piezas. Este polímero, obtenido de fuentes renovables como el maíz o la caña de azúcar, es biodegradable bajo ciertas condiciones específicas y presenta un impacto ambiental significativamente menor que los plásticos convencionales. El empleo de PLA presenta notables beneficios en términos de sostenibilidad. Al ser un material de origen renovable, su producción ayuda a la reducción de emisiones de carbono. Además, durante su ciclo de vida, el PLA produce menos desechos persistentes a lo largo de su ciclo de vida, ya que puede descomponerse en entornos de compostaje industrial. Este enfoque contribuye a minimizar la huella ambiental asociada tanto a la producción de materiales como a su disposición final. La impresión 3D aporta un valor añadido a la sostenibilidad del proyecto al posibilitar una fabricación precisa y eficiente, reduciendo al mínimo el desperdicio de material. Para potenciar los beneficios ambientales, se han optimizado para minimizar el uso de la cantidad de PLA utilizado, cumpliendo con los requerimientos estructurales y funcionales del aerogenerador. Aunque el proceso conlleva consumo energético, su impacto se minimiza mediante configuraciones optimizadas y, cuando es posible, el uso de energías renovables. En cuanto a los materiales utilizados en los aerogeneradores verticales de mayor escala, como las fibras de vidrio y las aleaciones metálicas, destacan por su resistencia y durabilidad frente a condiciones adversas. Sin embargo, su producción tiene un impacto ambiental notable, debido a su alto consumo energético y de las dificultades para su reciclaje. En comparación, el uso del PLA en este proyecto enfatiza la posibilidad de incorporar materiales más sostenibles en aplicaciones específicas, fomentando un diseño más respetuoso con el medio ambiente. Este proyecto refleja como la aplicación de materiales renovables y procesos eficientes pueden contribuir tanto a la funcionalidad del producto y al mismo tiempo promover la
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 116 sostenibilidad del progreso tecnológico. El uso de PLA resalta la capacidad de disminuir el impacto ambiental de sin afectar el desempeño esperado del aerogenerador. 9.2. Contribución del aerogenerador a la transición energética El aerogenerador se desarrolla como una respuesta directa a la necesidad global de soluciones energéticas sostenibles. Aprovecha la energía eólica, una fuente renovable, limpia y ampliamente accesible, para aportar de manera efectiva a la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero y fomentar así el avance hacia la independencia energética. El concepto detrás del diseño del aerogenerador se orienta hacia la accesibilidad y la eficiencia. La utilización de materiales asequibles y la fabricación mediante tecnologías como la impresión 3D lo posicionan como una solución viable para comunidades rurales, instituciones educativas y proyectos de pequeña escala. Asimismo, su instalación es particularmente ventajosa, ofreciendo ventajas significativas en lugares con acceso limitado a la red eléctrica, impulsando así una generación de energía descentralizada y local que mejora la calidad de vida y fomenta la autosuficiencia energética. Este proyecto resalta por la implementación de simulaciones y evaluaciones previas que afinan el diseño, asegurando un rendimiento energético eficiente, mientras minimizan el uso de recursos. Este enfoque permite reducir el impacto ambiental durante el proceso de producción y maximizar su efectividad de los durante su etapa de uso. Mas allá de su funcionalidad, el aerogenerador sirve como un ejemplo real de como las tecnologías renovables pueden adaptarse a diversas necesidades, promoviendo una transición cultural hacia un modelo energético más consciente y sostenible.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 123 En cuanto a las herramientas de simulación, se recomienda el uso de software más preciso y especializado en dinámica de fluidos computacional, como OpenFOAM o ANSYS. Si bien SolidWorks ha demostrado ser una herramienta eficaz en términos de claridad y precisión en el modelado y análisis estructural, su alcance es más generalista. OpenFOAM y ANSYS, en cambio, son programas altamente especializados en el estudio de fluidos, proporcionando simulaciones más detalladas y representaciones más precisas de la turbulencia y la interacción del flujo con la estructura. No obstante, estos programas presentan una barrera técnica considerable, dado que requieren conocimientos avanzados en modelado numérico y programación, lo que implica un desafío adicional en su implementación efectiva. Otro aspecto crítico identificado durante las pruebas experimentales fue la limitación en la velocidad del viento dentro del túnel de viento. La potencia del ventilador utilizado restringió el alcance de las pruebas a velocidades de aproximadamente 5 m/s, lo que impidió analizar el comportamiento del aerogenerador en condiciones de viento más exigentes. Se recomienda la incorporación de un ventilador de mayor potencia que permita la generación de flujos de aire más intensos, lo que posibilitaría la evaluación del rendimiento del aerogenerador en un rango más amplio de velocidades, acercando las condiciones experimentales a las reales y mejorando la validez de los resultados obtenidos. Asimismo, se ha identificado la necesidad de utilizar un motor más preciso para la lectura de datos. El modelo empleado en este proyecto presentó una precisión limitada en sus mediciones a bajas revoluciones, ofreciendo datos más estables solo cuando superaba las 2000 rpm. Para futuras implementaciones, sería conveniente seleccionar un motor con una mayor precisión en un rango más amplio de velocidades, lo que permitiría obtener mediciones más consistentes y fiables sin depender de umbrales específicos de operación. Esto contribuiría significativamente a la mejora de la adquisición de datos y a la evaluación del rendimiento real del aerogenerador en diversas condiciones de viento. En conclusión, las mejoras propuestas contribuirían significativamente a la evolución del aerogenerador vertical, optimizando su diseño, simulación y validación experimental. Implementar estos cambios permitirá desarrollar un sistema más robusto, preciso y eficiente,
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 124 facilitando su aplicación en entornos reales y fortaleciendo su potencial como una alternativa viable en la generación de energía renovable a pequeña escala. Además, la integración de metodologías más avanzadas y herramientas de simulación especializadas permitirá alcanzar una mayor precisión en el análisis aerodinámico, garantizando un diseño optimizado y adaptado a las condiciones operativas esperadas.
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 125 11. Agradecimientos La culminación de este proyecto marca un punto clave en mi desarrollo formativo, y no habría sido alcanzado sin la ayuda, el acompañamiento y el estímulo de muchas personas e instituciones que, de diversas maneras, hicieron que este trabajo se materializara. Dedico estas palabras a manifestar mi más profundo y sincero agradecimiento a todos ellos. En primer lugar, quiero expresar mi reconocimiento a mi universidad, una institución que no solo me ha proporcionado los conocimientos necesarios para desarrollarme académica y profesionalmente, sino también las instalaciones, los recursos y el ambiente necesarios para desarrollar este proyecto. De manera particular, agradezco al Departamento de STL por su compromiso con la calidad y la investigación, cuyo apoyo técnico y académico ha sido invaluable durante este proceso. En este contexto, no puedo dejar sin mencionar a dos personas muy importantes, tanto para mí como para el departamento, Ricard “Richi” y Alex “Pastor”, de quienes he recibido un apoyo invaluable. Su experiencia, disposición y generosidad para compartir sus conocimientos fueron cruciales para superar los retos técnicos más complejos. A mi profesor y director de este trabajo, su orientación, sus consejos y su visión han sido piezas clave en el desarrollo de este proyecto, quiero mostrarle mi más profundo agradecimiento. Sus aportes me han ayudado a superar los desafíos que surgieron, y mantener un enfoque profesional y meticuloso a la hora de enfocarse en el trabajo. Gracias a su apoyo, he logrado convertir una idea inicial en un proyecto sólido y significativo. Me gustaría expresar mi especial reconocimiento a Pablo, cuya base de control implementada en MATLAB fue un punto de partida clave para el inicio de este proyecto. Gracias a su trabajo previo, y las modificaciones realizadas, fue posible adaptar su solución a las exigencias específicas, alcanzando resultados que habrían sido difíciles de lograr de otra manera. Su contribución técnica y su generosidad para colaborar fueron fundamentales para compartir conocimientos para el éxito de este trabajo. Un agradecimiento muy especial a mi amigo Joel, cuya presencia no solo me acompañó en los momentos más difíciles y en las fases más desafiantes del proyecto, sino que también fue una
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 126 fuente de motivación constante. Su apoyo incondicional me recordó con perseverancia y dedicación se pueden alcanzar grandes objetivos. Por supuesto, no puedo dejar de mencionar a mis padres, quienes han sido mi mayor soporte a lo largo de mi vida. Su amor incondicional, su respaldo continuo y su confianza inquebrantable han sido esenciales para superar las adversidades de este camino. Este logro no solo me pertenece a mí, es compartido con ellos, y les estaré siempre agradecido por creer en mí, incluso en los momentos más complicados. Por último, con un agradecimiento igual de especial, quiero dedicar estas líneas a Paula, mi pareja. Gracias por estar siempre a mi lado, por estar impulsándome a alcanzar mis límites a cada momento de este proceso y por apoyarme en cada etapa de este proceso. Tus palabras de ánimo, tu paciencia y tu habilidad para inspirarme a dar lo mejor de mi fueron cruciales para que este proyecto sea una realidad. Este éxito también te pertenece, porque has sido mi compañera en cada obstáculo y en cada logro alcanzado. A todos ustedes, mi más profundo agradecimiento. Este proyecto no solo es el resultado de mi dedicación, sino también de todo el apoyo recibido por el apoyo, la colaboración y la inspiración recibida por cada uno. La contribución de todos ha significado ser una parte esencial para hacer posible este trabajo, y por ello, siempre les estaré inmensamente agradecido. Este logro es tanto mío como suyo, y me gustaría dedicárselo con toda mi gratitud y respeto.
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DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 130 [43] E. propia, «Elaboración propia,» [En línea]. [Último acceso: Enero 2025]. [44] E. propia, «Elaboración propia,» [En línea]. [Último acceso: Enero 2025]. [45] E. propia, «Elaboración propia,» [En línea]. [Último acceso: Enero 2025]. [46] E. propia, «Elaboración propia,» [En línea]. [Último acceso: Enero 2025]. [47] E. propia, «Elaboración propia,» [En línea]. [Último acceso: Enero 2025]. [48] E. propia, «Elaboración propia,» [En línea]. [Último acceso: Enero 2025]. [49] E. propia, «Elaboración propia,» [En línea]. [Último acceso: Diciembre 2024].
DISEÑO Y CONTROL DE UN AEROGENERADOR MARC MOLINA GALLEGO 131 13. Anexos 13.1. Anexo-A. Planos de los tres modelos 13.2. Anexo-B. Tablas de simulaciones en SolidWorks 13.3. Anexo-C. Tablas de simulaciones en Túnel de Viento 13.4. Anexo-D. Video de simulación en Túnel de Viento 13.5. Anexo-E. Animación