Optimización aerodinámica de una turbina eólica de eje horizontal para aplicaciones de pequeña escala en zonas boscosas

Abstract

El viento es una fuente de energía renovable que ha tomado mucho auge en las últimas décadas. En particular en Costa Rica, alrededor del 10 % de la matriz eléctrica es energía eólica. Tomando en cuenta que este país posee una abundante vegetación, este trabajo se enfoca en determinar las características aerodinámicas óptimas de un rotor de turbina eólica de eje horizontal, de menos de 3 metros de diámetro, mediante simulación numérica, para aplicaciones en zonas boscosas de bajo potencial eólico. En particular, orientando los esfuerzos a brindar una fuente de energía a viviendas ubicadas en zonas indígenas, que están lejos de las redes de distribución eléctrica. En la primera parte de esta investigación se describe el recurso eólico en Costa Rica, aprovechando los datos de 37 estaciones meteorológicas distribuidas a lo largo y ancho del territorio; las cuales ofrecen registros entre 2007 y 2017. Se encuentra que, a 10 metros sobre el suelo, el viento sopla principalmente entre 3 y 5 m/s con una intensidad de turbulencia de hasta 30 %, estos resultados validan el foco de esta investigación, al demostrarse que el potencial eólico es bajo debido a las bajas velocidades y a la elevada intensidad de turbulencia. La segunda parte del documento contiene un modelado del viento en las zonas de interés, con la finalidad de conocer de forma detalla las condiciones en las cuales operará el rotor que se pretende diseñar. Para estos efectos se instrumentan varias torres meteorológicas con anemómetros a diferentes alturas y se determina que la temperatura, junto con la altura, son factores relevantes para describir la velocidad del viento en zonas boscosas. Se encuentra un valor de intensidad de turbulencia de alrededor del 30 % como el más frecuente entre los datos tomados. También se determina que una zona localmente sin obstáculo se asocia a una menor intensidad de turbulencia, lo que deberá ser tomado en cuenta para una eventual instalación del rotor que se diseña en esta tesis doctoral. El capítulo 3 contiene el diseño propiamente del rotor, una vez conocido el recurso eólico de manera general en el país, y de forma específica en zonas boscosas. Se emplea simulación numérica para conocer el desempeño del perfil SG6043 en condiciones de alta turbulencia y posteriormente con los resultados se diseña el rotor mediante el programa SWRDC, siglas de Small Wind turbine Rotor Design Code. El cual fue diseñado en Matlab por terceros y en este caso implementado con los datos de viento propios de la zona de interés. Se obtiene un rotor que puede generar hasta 1070 kWh de energía anual, frente a los 114 kWh que generaría un rotor de turbina comercial en las mismas condiciones. Finalmente en la cuarta parte de esta investigación se presentan los resultados de la pasantía realizada en la Universidad de Kyushu en Japón, donde se investiga el efecto un difusor en flujo turbulento. Para ello se emplea un túnel de viento con una sección de pruebas de 2 metros de alto por 3.6 metros de ancho. En dicho túnel se coloca una rejilla generadora de turbulencia y el difusor. Se encuentra que el efecto positivo del difusor en el flujo se ve potenciado por la turbulencia. Por lo que se concluye que este tipo de dispositivos son adecuados para turbinas que operan en condiciones de flujo turbulento.