Ingeniería Mecánica · 2023
Modelado, Simulación y Análisis del Comportamiento Mecánico del Álabe de un Aerogenerador de Eje Vertical en el Cañón del Chicamocha en Santander.
En las últimas décadas, el interés por el aprovechamiento energético y el uso correcto de recursos de forma limpia y amigable con el medio ambiente ha aumentado, esto debido al incremento de demanda energética a nivel mundial, lo cual ha implementado la búsqueda del desarrollo de máquinas captadoras de energía con mejores características de diseño, para esto es necesario el estudio de diversos materiales de fácil reciclaje y bajo impacto ambiental que posean las características necesarias para la aplicación en el lugar de estudio. Actualmente los aerogeneradores de eje vertical Darrieus tipo H, utilizan materiales sintéticos o compuestos para la fabricación de sus álabes los cuales generan residuos sólidos de difícil disposición al final de su ciclo de vida. En esta investigación, como solución se plantea el uso de un material compuesto de fácil reciclaje llamado nylon X, el cual es un polímero termoplástico perteneciente a la familia de las poliamidas reforzado con filamentos de fibra de carbono el cual al perder sus propiedades se puede reutilizar para la fabricación de los mismos álabes. Utilizando el método de elementos finitos se realizó un análisis CDF, con el perfil aerodinámico DU06W200, el cual según las referencias consultadas presenta mejor rendimiento en el lugar de estudio seleccionado, para ello, se realizó el modelado de un álabe de estos aerogeneradores, simulando en las condiciones específicas del cañón del Chicamocha. Como resultados se observa que las deformaciones totales con el material propuesto en las condiciones de estudio son pequeñas y que el material Nylon X junto con el diseño, presenta buenas condiciones de resistencia estructural para el uso de generación de energía eólica de baja potencia en el cañón del Chicamocha en Santander.
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Contenido
- Introducciónp. 12
- 1. Objetivosp. 14
- 1.1 Objetivo Generalp. 14
- 1.2 Objetivos Específicosp. 14
- 2. Justificaciónp. 15
- 3. Marco Teóricop. 16
- 3.1 Antecedentes de investigación o estado del artep. 19
- 3.1.1 Antecedentes a nivel nacionalp. 19
- 3.1.2 Antecedentes a nivel nacional en materialesp. 22
- 3.1.3 Antecedentes a Nivel Internacionalp. 26
- 3.1.3.1 Antecedentes a nivel internacional en ingenieríap. 28
- 3.1.3.2 Antecedentes a nivel internacional en materialesp. 32
- 3.2 Referentes Teóricosp. 34
- 3.2.1 Energía Aprovechada del vientop. 34
- 3.2.1.2 Función de una Turbina eólicap. 35
- 3.2.1.3 La potencia de una masa de aire en movimientop. 35
- 3.2.2.1Rotor ideal límite de Betzp. 36
- 3.2.3 Tipos de aerogeneradoresp. 37
- 3.3 Densidad de Energía eólicap. 40
- 4.Diseño Metodológicop. 41
- 4.1 Población de estudiop. 41
- da uso al Despliegue de Función de Calidad (QFD)p. 43
- 6. Diseño (Fase de desarrollo)p. 45
- 6.1 Modelado de Perfil Aerodinámicop. 54
- 7. Simulación del álabe Aerodinámicop. 59
- 8. Conclusionesp. 71
- Bibliografíap. 73
- Apéndicesp. 77
- Figura 1,Velocidad Media del Viento, UPMEp. 17
- Figura 2,Perfil NACA0018 Y Perfil DU06W200p. 20
- Figura 3, Comparación vectores de velocidad entre perfilesp. 21
- Figura 4,Refuerzo estructural en forma de "T"p. 23
- Figura 5, Fractura a tracción de probeta palma de latap. 25
- Figura 6, Nuevas instalaciones eólicas a nivel mundial 2021p. 26
- Figura 7,Nuevas instalaciones Onshore y Offshore en los últimos añosp. 27
- Figura 8,Mecanismo paso variable y ensamble de mecanismop. 29
- Figura 9,Perfil de velocidades mecanismo paso variablep. 30
- Figura 10, Ensayo túnel de viento del álabep. 31
- Figura 11,Clasificación de fibras naturalesp. 32
- Figura 12,Ciclo del vientop. 34
- Figura 13,Flujo transversalp. 35
- Figura 14,Relación de velocidades del vientop. 37
- Figura 15, Clasificación máquinas eólicasp. 38
- Figura 16, Cañón del Chicamochap. 41
- Figura 17,Influencia zonas montañosas al airep. 42
- Figura 18,Despliegue matriz de calidadp. 43
- Figura 19,Material Isotrópico y ortotrópicop. 45
- Figura 20,Área de barrido aerogenerador de eje verticalp. 48
- Figura 21,Diagrama de Cp Vs TSRp. 50
- Figura 22, Diagrama Cp Vs TSR con parámetro BARp. 52
- Figura 23, Diagrama influencia del parámetro BAR con la Cuerdap. 53
- Figura 24, Perfil aerodinámico DU06W200p. 55
- Figura 25, Modelado CAD perfil aerodinámico DU06W200p. 56
- Figura 26,Dominio JOUKOWSKIp. 57
- Figura 27,Dominio JOUKOWSKI para el perfil DU06W200 en Ansysp. 58
- Figura 28,Definición de superficies en el programa Ansysp. 59
- Figura 29,Creación de mallap. 60
- Figura 30,detalle de borde de ataquep. 61
- Figura 31, Perfil de velocidades con ángulo de ataque 10°p. 63
- Figura 32,Perfil de presiones ángulo de ataque 10°p. 63
- Figura 33,Contorno de Presionesp. 64
- Figura 34,Geometría Módulo Bp. 65
- Figura 35,Simulación workbench Fluid Flow y Static Structural en Ansysp. 65
- Figura 36, Análisis estructural Ansysp. 66
- Figura 37,Malla de estructuralp. 67
- Figura 38, Deformación estructural del álabep. 68
- Figura 39, Esfuerzo Equivalente de Von Misesp. 69
- Figura 40, Esfuerzo cortantep. 69
- Figura 41, Deformación unitaria [mm/mm]p. 70
- Tabla 1, Monitoreo de velocidad media anual del vientop. 18
- Tabla 2,Valores de deformación unitaria con refuerzo y sin refuerzop. 24
- Tabla 3,Clases de potencial eólicop. 40
- Tabla 4, Propiedades Nylon Xp. 44
- Tabla 5, Eficiencia de aerogeneradoresp. 46
- Tabla 6,Elementos y nodos de la matrizp. 62
- Apéndice A, Coordenadas del perfil aerodinámico DU06W200p. 77
- Apéndice B, Prototipo impreso en 3D del perfil DU06W200p. 78
- Apéndice C, Coeficientes de arrastre y levantamientop. 80
- Apéndice D, Ficha técnica de material a imprimirp. 83
- Apéndice E, Características de dimensiones del aerogenerador verticalp. 84