Characterization of a new open jet wind tunnel to optimize and test vertical axis wind turbines

• Autores: Silvana Cecilia Tourn Cremona
• Directores de la Tesis: Jordi Pallarès Curto (dir. tes.), Ildefonso Cuesta Romeo (codir. tes.)
• Lectura: En la Universitat Rovira i Virgili ( España ) en 2017
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Francesc Xavier Grau Vidal (presid.), Ingrid Martorell (secret.), Jorge Maestre Heredia (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Nanociencia, Materiales e Ingeniería Química por la Universidad Rovira i Virgili
• Materias:
  • Ciencias tecnológicas
    • Ingeniería y tecnología aeronáuticas
      • Aerodinámica
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en:  TDX  hdl.handle.net 
• Resumen

  • Hoy en día es más importante que nunca encontrar fuentes de energía cuidadosas con el medio ambiente. La sociedad es consciente de ello y muestra un creciente interés por las tecnologías medioambientales urbanas. Basado en esto, el estudio de las turbinas eólicas de eje vertical (VAWTs) presenta desafíos motivadores. Avances significativos en la forma, el diseño de las palas, el material y el tamaño del rotor de las VAWTs en los últimos años, sugieren que estas turbinas son más adecuadas para entornos urbanos que las turbinas de viento de eje horizontal (HAWTs), debido a que presentan un rendimiento superior en flujos de viento turbulentos.

    La literatura disponible demuestra que el túnel de viento es una solución alternativa a las costosas mediciones directas de energía eólica para los investigadores y desarrolladores de pequeñas turbinas de viento. El propósito de este trabajo es dar a conocer las características y potencialidades de un túnel de viento de chorro libre construido en nuestros laboratorios para apoyar el estudio de los VAWTs urbanas.

    El criterio de diseño de la nueva instalación se basa en conceptos presentes en la literatura disponible. Este criterio es reforzado con la simulación numérica de la geometría diseñada.

    Los elementos del túnel de viento de sección de prueba abierta 4-Winds son (en la dirección del flujo): ventiladores, cámaras de tranquilización, rectificadores y elementos de acondicionamiento de flujo, una contracción y la sección de pruebas.

    El flujo es impulsado por cuatro ventiladores de 7,5 kW cada uno, con un diámetro de 1m y colocados en una matriz de 2,24 m x 2,24 m. Cada elemento se describe y analiza en detalle a lo largo de este trabajo de investigación.

    El túnel tiene una sección de prueba abierta de 1,5 x 1,5 m2. Puede operar a velocidades de salida de 3 m/s a 17 m/s. La caracterización del flujo se ha realizado con tubos de pitot calibrados, anemómetro de cazoletas y anemometría de hilo caliente. Se consideran dos configuraciones diferentes de la zona de ensayo, con y sin techo. La sección de prueba con techo presenta un incremento de velocidad de aproximadamente 0,5 m/s y una reducción global de la intensidad de turbulencia de aproximadamente 3% con respecto al caso sin el falso techo.

    Las mediciones en el rango de velocidades de salida disponibles muestran que la sección transversal, donde las velocidades e intensidades de turbulencia muestran un nivel aceptable de uniformidad, tiene una superficie de 0,8 x 0,8 m2 y una dimensión en sentido de la corriente de flujo de 2 m de la salida de la boquilla del túnel. La velocidad no uniforme y la intensidad de la turbulencia son de 5% y 1%, respectivamente, a 1 m de la salida del túnel a una velocidad del túnel entre 5 m/s y 15 m/s. Estas características son similares a un túnel de viento de sección de prueba abierta instalado en la Universidad de Tecnología de Delft construido con el mismo propósito.

    El análisis de las señales de las velocidad indican que el espectro sigue el comportamiento de la "turbulencia de capa límite atmosférica normal (ABL)" y que se producen en un rango alrededor de f/U ≈ 10 (siendo f la frecuencia y U la velocidad media) seguido de una sub rango inercial que muestra una pendiente negativa de turbulencia de - 2/3. El espectro de Davenport representado refleja bastante bien el espectro del túnel, siempre que la escala de obtención del espectro de Davenport (1200 m) sea reemplazada por la escala de obtención de la turbulencia del túnel (Lu = 0,1 m). Todo esto indica que el túnel de viento es adecuado para estudiar los efectos del viento en un aerogenerador a escala, y es comparable a un aerogenerador real que opera en la capa límite atmosférica.

    También se realizaron estudios con un anemómetro de cazoletas calibrado. En primer lugar, se realizó el estudio del efecto de bloqueo del anemómetro de cazoletas sobre los tubos de pitot, a fin de definir la posición óptima de los instrumentos de medida. En segundo lugar, se llevaron a cabo mediciones de las velocidades medias sin y con falso techo, a diferentes posiciones de la salida (eje x), con 4 tubos de pitot + el anemómetro de cazoletas, luego sólo con el anemómetro de cazoletas colocándolo en el centro del área de ensayo, y finalmente sólo con 4 tubos de pitot. Para concluir, se explican los resultados de calibración del anemómetro de cazoletas con falso techo. Los resultados del primer estudio muestran menos influencia entre los tubos de pitot y el anemómetro de copa a partir de 30cm de distancias entre sí. La gráfica de los segundos estudios presentan una mejor distribución del flujo con el falso techo, es decir, los valores de las velocidades de flujo son más coincidentes. En la calibración del anemómetro de cazoletas, se encontró el mejor ajuste lineal a la respuesta del anemómetro cuando se lo colocó a x = 1 m de la salida de la contracción (en el eje x).