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NS – CI – 33 Comparación y Análisis Aerodinámico, de perfiles de media luna y NACA 0012, utilizando variaciones en la configuración de alineamiento de Flujo y Rotores para una Turbina Bidimensional.


NS – CI – 33 Comparación y Análisis Aerodinámico, de perfiles de media luna y NACA 0012, utilizando variaciones en la configuración de alineamiento de Flujo y Rotores para una Turbina Bidimensional.


Categoría: Superior (Licenciatura)
Área de participación: Ciencias de la ingeniería

Equipo: Dinamita

Miembros del equipo:
Ivan Rodrigo Galarza Vidal
Luis Gustavo Garcia Zamora
Alma Delia Lopez Salazar

Asesor: JOSE MIGUEL OCHOA ALVA

Escuela: TECNOLOGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE CHICOLOAPAN

Resumen

En esta investigación se analizará los diferentes perfiles aerodinámicos de los álabes para mejor el aprovechamiento en las turbo-máquinas, para este estudio se realizarán comprobaciones de flujo, los cuales son necesarios para el diseño del dispositivo, así como para el estudio de su comportamiento aerodinámico. Su conocimiento es de amplia importancia debido a la simulación y el diseño de los algoritmos necesarios para obtener una optimización económico-energética.

La energía mareomotriz presenta una gran importancia en esta era debido a que es una energía renovable y limpia de la cual se pueden obtener grandes cantidades de energía. Para ello se tienen que tomar en cuenta los perfiles hidrodinámicos, profundidad y modelado del oleaje para el generador eléctrico. Se realizarán los triángulos de velocidades del fluido analizando diferentes variables, como velocidad angular del rotor y energía cinética.  Usando los parámetros mencionados se generaron una serie de comparaciones de los perfiles realizando una variación de parámetros.

Pregunta de Investigación

¿Cómo se puede mejorar la producción de energía eléctrica con dispositivos ola motrices?

Planteamiento del Problema

En los últimos años se ha presentado una reciente preocupación no solo a nivel nacional sino a nivel mundial por la elevación de emisiones de CO2, por lo cual da origen al desarrollo tecnológico de nuevas fuentes de energías renovables con el fin de la generación de energía eléctrica lo cual pretende fortalecer las energías renovables que son diseñadas para proteger nuestro planeta.

 

Antecedentes

El crecimiento de la demanda energética mundial ha provocado grandes emisiones de CO2 los cuales provocan el daño ambiental y tiene grave consecuencias en el planeta por lo cual se ha optado por una forma de energía limpia a los cuales los océanos son de forma directa e indirectamente como energías renovables dado que su gran superficie, volumen y capacidad calorífica hacen que sea el principal colector y acumulador de energía solar en nuestro planeta. (Amable López, 2014).

La energía del Sol (y de la Luna) es acumulada por el agua del mar en distintas formas, que producen diversos efectos, tanto en el mar como en la tierra. La energía de las olas o undimotriz, cuyo potencial se estima en 30.000 TWh/año, existiendo múltiples localizaciones donde es posible su extracción.

Las columnas de agua oscilante también son conocidas “OWC” por sus siglas en inglés (oscillanting wáter colum), El principio de extracción de energía de las olas está basado en la oscilación del agua dentro de una cámara semi sumergida y abierta por debajo del nivel del mar. (Arturo, 2014)

Ocean Energy Strategic Roadmap formalmente presentado a la Comisión europea el pasado noviembre de 2016 por el Ocean Energy Forum, se espera que para el año 2050 la energía marina tenga suficiente potencial como para generar 350 TWh de energía eléctrica, cubriendo así el 10% de toda la demanda en Europa. De esta forma, la energía generada por el sector de la energía marina podrá evitar el equivalente a 276 millones de toneladas de emisiones de CO2 anuales para el año 2050.

Dentro de la energía que es producida a través de las olas donde los dispositivos que se encuentran basados en la de columna de agua oscilante constituyen una tecnología de amplio aprovechamiento energético.

Los sistemas de captación de energía proveniente de las olas pueden aplicarse tanto en zonas costeras como en la zona marina con una gran diferencia que consiste en el transporte de energía y en los costos de su implementación.

Objetivo

Objetivo General:

Mejorar la eficiencia y aumentar la potencia de una columna de agua oscilante con una turbina de flujo bidireccional, para su uso como fuente alterna de energía.

Objetivos Particulares:

  • Diseñar una turbina con mayor aprovechamiento energético de la oscilación del flujo de fluido de trabajo.
  • Obtener la potencia de una Columna de Agua Oscilante con una turbina bidireccional.

Justificación

La mayor parte de la generación de energía eléctrica es por medio de los combustibles fósiles que estos presentan un gran índice de contaminación lo cual provoca el cambio climático lo cual da origen a ls busca de energías alternas y que sean menos dañinas para el planeta.

El dia 2 de septiembre del año 2009 publico el diario Oficial de la federación establece que para el año 2026 en el país el 35% de la energía eléctrica sea proveniente de las energías renovables debido al gran impacto que han tenido sobre nuestro territorio nacional.

La gran importancia que conlleva este tema es debido a la necesidad que ha surgido estos últimos años por encontrar fuentes de generación de energía eléctrica utilizando materia prima que no provoque daño y que sea amigable con el medio ambiente.

Hipótesis

La correcta instalación de una turbina generadora de energía eléctrica proveniente de la energía mecánica de las olas provocara un aumento de la eficiencia y a su vez se mejora el flujo del fluido de trabajo para un análisis aerodinámico, logrando un aumento de la potencia de salida que provocara un impacto positivo en el planeta para la disfunción de unos de los grandes problemas del siglo XXI el cambio climático que es originario por la quema de combustibles fósiles para la producción de electricidad

Método (materiales y procedimiento)

Se revisó el estudio del arte en el cual se encontró que las turbinas tipo Wells se utilizan únicamente para perfiles NACA, pero sin uso de alineamiento

El perfil NACA en las turbinas tipo Wells debido a su perfil aerodinámico simétrico cuando el aire pasa por a través de este la turbina comienza a girar hacia un lado y cuando el aire pasa nuevamente en dirección contraria, debido a su diseño este perfil nuevamente gira hacia el mismo lado, por lo que el flujo del aire no determina hacia donde girara la turbina, si el perfil NACA. Pero solo con este perfil se tiene una eficiencia baja. Para aumentar la eficiencia de la turbina tipo Wells se ha implementado alineamientos junto a los perfiles NACA, con ello queremos ver su comportamiento a través del flujo de aire, velocidad y la presión.  La propuesta es cambiar esos perfiles NACA por perfiles Media Luna considerando un alineamiento para que sea muy eficaz este tipo de dispositivos.

Se analizó mediante simulación el perfil de media luna como se muestra en las siguientes imágenes.

 

En la imagen se muestra el perfil de media luna en una simulación a presión donde se analizará cómo es su comportamiento.

 

En esta imagen se presenta una simulación de velocidad donde vemos como se forman los vórtices (remolinos) alrededor del perfil de Media Luna y de los alineamientos.

Mediant los datos que arrojaron las simulaciones se realizaron los triángulos de velocidades.

Para las velocidades a la entrada para un solo rotor tanto a la entrada como a la salida como se observa en la imagen.

 

Donde obtuvimos los siguientes datos

 

Obteniendo como datos las velocidades que se muestran en la tabla para un perfil de Media Luna con un solo Rotor observando que Cm1 es de 14.2 m/s.

Y a la salida obtuvimos los siguientes datos

Donde vemos que Cm2 es igual a 10.4 m/s.

Debido a estas velocidades podemos calcular la potencia a la salida del rotor

En la cual la potencia es aproximadamente de 340 KW.

Esto resultados es con un solo rotor, cuando se manejan dos rotores con un giro diferente del otro, es decir, uno gira en sentido a las manecillas del reloj y el otro rotor gira al lado contrario de las manecillas se pude obtener los datos de las velocidades para el segundo rotor y obtener dos potencias a la salida. En este caso la potencia del rotor 1 sería mayor a la del rotor 2 debido a que el rotor 1 absorbe más energía

Galería Método

Resultados

Analizamos que para un perfil naca 0012  en una turbina Wells que rota a una baja presión de manera continúa en un solo sentido de manera autónoma a la dirección del viento, en lo cual sus perfiles aerodinámicos son simétricamente al plano de rotación y perpendicular al plano del flujo del viento, esto se muestra mediante la simulación de Comsol.

Por ello tomamos en cuenta  que nuestra turbina recibe  un flujo de manera bidireccional donde la fase aerodinámica se encuentra de manera asimétrica CH on respecto a la dirección del flujo de entrada. El cambero  de un perfil alar es la distancia máxima que existe entre la línea de cuerda y la línea de curvatura media o “mean camber line” medida perpendicularmente desde la cuerda el  punto de inicio y el punto de finalización de la línea de curvatura media están definidos como el borde de ataque y el borde de salida. La línea recta que conecta el borde de ataque y el borde de salida es la línea de cuerda del perfil alar y la distancia precisa medida en esta línea se conoce como la cuerda. El camber, la forma de la línea de curvatura media y la distribución de espesor del perfil alar en esencia representan las variables de diseño más importantes porque controlan las características de sustentación y los momentos del perfil alar.

 

Es importante mencionar el perfil alar simétrico comúnmente utilizado en superficies de control como el estabilizador horizontal y el estabilizador vertical (Rudder y Elevador). Este perfil simétrico se define en la familia de 4 dígitos, pero los primeros dos dígitos están designados como ceros. El perfil simétrico no tiene camber, solo tiene espesor. Por lo que presentan características buenas de pérdida o “Stall” a nivel de de docilidad con desventaja: coeficientes de sustentación bajos, alta resistencia sobre la mayoría de condiciones operativas.

Galería Resultados

Discusión

Conclusiones

En este sistema se obtuvo el doble de potencia en comparación de la Turbina tipo Wells.

Por el aumento de potencia, considerando las mismas condiciones de operación de la OWC LIMPET, se observa que la eficiencia también aumento, esto es por el mayor aprovechamiento de la energía cinética de la Turbina de Impulso en comparación de la Turbina tipo Wells.

Este tipo de sistemas también funcionan con baja frecuencia del oleaje, por lo que su instalación en las costas mexicanas es viable, por su alta eficiencia y por consecuente, tendría una producción necesaria de energía eléctrica a la red pública.

Bibliografía

  • López A. & Somolinos J.A. & Núñez L.R. (2014). Modelado energético de convertidores primarios para el aprovechamiento de las energías renovables marinas. Revista Iberoamericana de Automática e Informática industrial (11) https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1697791214000120
  • Lekube J. & Garrido I. &  Otala E. Garrido A. J. (2018) Mejora de la potencia obtenida en plantas de generación undimotriz basadas en columna de agua oscilante Revista Iberoamericana de Automática e Informática industrial (15) https://polipapers.upv.es/index.php/RIAI/article/view/8831
  • Casoni. & J. Peraire & A. Huerta. (2012) Un método de captura de choques basado en las funciones de forma para Galerkin discontinuo de alto orden. Revista Internacional de métodos numéricos para calculo y diseño de ingeniería (4) https://www.elsevier.es/es-revista-revista-internacional-metodos-numericos-calculo-338-pdf-S0213131512000491
  • Salueña Berna & J.A. Ortiz Marzo & A. Raso Bautista. (2015) Diseño y fabricación de un prototipo a pequeña escala de una turbina de aire, para el aprovechamiento de la energía marina, a bajo coste mediante técnicas de prototipado rápido. ResearchGate https://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2099/8145/19_Xavier_Saluena-1.pdf?sequence=1&isAllowed=y
  • Gonzalez Ramos P. (2010) Estudio del modelamiento matemático de un alabe para una turbina de flujo bidireccional. Universidad militar nueva granada (Tesis de Ingeniería no Publicada)Bogotá.

 



NS – CI – 33 Comparación y Análisis Aerodinámico, de perfiles de media luna y NACA 0012, utilizando variaciones en la configuración de alineamiento de Flujo y Rotores para una Turbina Bidimensional.


NS – CI – 33 Comparación y Análisis Aerodinámico, de perfiles de media luna y NACA 0012, utilizando variaciones en la configuración de alineamiento de Flujo y Rotores para una Turbina Bidimensional.

Summary

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Results

Discussion

Conclusions

Bibliography