Optimización de la eficiencia energética en microaerogeneradores: diseño de un accesorio innovador

Resumen

Este trabajo final de grado desarrolla como diseñar un accesorio que se implementa en los microaerogeneradores verticales para lograr una mayor eficiencia del mismo. Dicho accesorio está formado por un panel con forma de un cuarto de circunferencia visto desde la planta de forma que protege la zona en la que las palas en la fase de retorno o de descarga (fase opuesta a la de impulsión). Al lograr reducir el viento que incide en esa zona se logra una menor pérdida ya que dicho viento incide en sentido opuesto al de la rotación del aerogenerador. Dicho accesorio está compuesto de un sistema de orientación de forma que en todo momento esté orientado el accesorio para lograr obtener la mayor eficiencia posible.

En primer lugar, se llevó a cabo la fase de investigación acerca del sector eólico, y más concretamente, de los microaerogeneradores verticales. En esta parte, se estudian las diferentes posibles mejoras donde se pueden incidir en este trabajo y se evalúan productos ya patentados que pueden servir como inspiración a tener en cuenta para el desarrollo de las posibles ideas.

Al inicio de la memoria aparece la introducción, el alcance del trabajo, los objetivos y el estado del arte del mismo, de forma que sirva al lector para tener un mayor control sobre el tema y le permita una mejor compresión del proyecto.

Tras haber analizado los anteriores capítulos, se procede a analizar diversas formas de optimización de la eficiencia de dichos aerogeneradores, proponiendo múltiples opciones. Tras un análisis de dichas opciones, se procede a trabajar acerca del diseño de un accesorio que sea capaz de reducir las pérdidas que se producen en la fase de retorno o de descarga. Con el objetivo claro, se procede a realizar una especificación del producto donde se establezcan las características que tiene que tener dicho accesorio.

Una vez realizada esta parte, se procede a analizar con una caja morfológica las diferentes ideas posibles a desarrollar en el accesorio. Se seleccionan tres ideas, de las cuales, mediante una serie de criterios, finalmente se escoge una única idea de las anteriores.

Con la idea ya escogida, se procede a realizar la ingeniería básica y de detalle del producto de forma que se obtienen las dimensiones, geometrías y formas y se plasman a través de planos de acotación. Una vez ya dimensionado el producto, es necesario asegurar que cumple con los criterios de seguridad y que realmente es eficiente su utilización. Es por ello, que es necesario realizar una serie de simulaciones de elementos finitos (utilizando el Software Inventor y el Software Ansys) de forma que se realizar un análisis de vibraciones, un análisis estructural y un análisis de fluidos. Con estas simulaciones se pueden obtener resultados numéricos fiables sin la necesidad de realizar experimentos reales que puedan ser destructivos o que, al menos, comprometan la seguridad de la estructura. Tras asegurar que el diseño es seguro, se procede a imprimir un prototipo a escala 1:2 del accesorio con una impresora 3D.

Posteriormente, se analiza el impacto medioambiental, social y económico que conlleva la fabricación, utilización y reciclado (ciclo de vida completo) que conlleva este accesorio. Para finalizar, se obtienen las conclusiones de todo el proyecto, las líneas futuras de investigación y las posibles mejoras que se pueden llevar a cabo para una continuación de este proyecto.

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This final degree project develops how to design an accessory that is implemented in vertical micro wind turbines to achieve greater efficiency. Said accessory is formed by a panel in the shape of a quarter of the circumference seen from the plant in such a way as to protect the area in which the blades in the return or discharge phase (phase opposite to the impulsive phase). By reducing the wind that affects this area, a lower loss is achieved as this wind affects in the opposite direction to the wind turbine rotation. Said accessory is composed of an orientation system so that the accessory is oriented at all times in order to obtain the greatest possible efficiency.

First, the research phase was carried out into the wind sector, and more specifically vertical micro-wind turbines. In this part, we study the different possible improvements where they can affect this work and evaluate already patented products that can serve as inspiration to consider for the development of possible ideas.

At the beginning of the memory appears the introduction, the scope of the work, the objectives and the state of the art of the same, so that it serves the reader to have a greater control on the subject and allows a better understanding of the project.

After having analysed the previous chapters, we proceed to analyse various ways of optimizing the efficiency of these wind turbines, proposing multiple options. After an analysis of these options, work proceeds on the design of an accessory that is able to reduce losses that occur in the return or discharge phase. With the clear objective, we proceed to make a specification of the product where the characteristics that have to have that accessory are established.

Once this part is done, we proceed to analyze with a morphological box the different possible ideas to develop in the accessory. Three ideas are selected, of which, by means of a series of criteria, a single idea is finally chosen from the previous ones. With the idea already chosen, the basic engineering and detail of the product is carried out in such a way that the dimensions, geometries and forms are obtained and expressed through layouts.

Once the product has been dimensioned, it is necessary to ensure that it meets the safety criteria and that its use is really efficient. Therefore, it is necessary to perform a series of simulations of finite elements (using the Software Inventor and the Software Ansys) in order to perform vibration analysis, structural analysis and fluid analysis. With these simulations, reliable numerical results can be obtained without the need for real experiments that can be destructive or at least compromise the safety of the structure.

After ensuring that the design is safe, a 1:2 scale prototype of the accessory is printed with a 3D printer. Then, the environmental, social and economic impact of manufacturing, use and recycling (full life cycle) is analysed. Finally, the conclusions of the whole project, future lines of research and possible improvements that can be carried out for a continuation of this project are obtained.