Optimización del diseño de la turbina eólica Savonius

Torres Espinosa, Sebastian | 2021

El trabajo de grado titulado: “Optimización del diseño de la turbina eólica Savonius”, tiene como objetivo principal plantear una metodología de diseño para determinar la configuración óptima que consigue maximizar el rendimiento aerodinámico de una turbina eólica de eje vertical tipo Savonius. Lo anterior, debido a que en la bibliografía especializada se identifican escasos diseños de este tipo de turbinas que contemplen la influencia conjunta de distintos parámetros geométricos en el rendimiento de la turbina, ni tampoco el uso de técnicas de optimización matemática evaluadas a gran escala. Para la consecución de este propósito, se definen en la investigación los siguientes tres procedimientos principales de la metodología de diseño: la parametrización de las simulaciones numéricas, el proceso de optimización y la estimación de la energía eléctrica suministrada por el conjunto turbina generador. Para la parametrización de las simulaciones numéricas se definen las variables que se tienen en cuenta para la solución de las ecuaciones que gobiernan el comportamiento del flujo de fluidos en la turbina, desde un enfoque numérico. Como resultado de esta etapa se consiguen generar distintos modelos de turbina eólica Savonius, dependientes de cuatro parámetros geométricos de entrada, al igual, se evalúa el rendimiento aerodinámico de estas turbinas de acuerdo con las soluciones numéricas obtenidas. Por otro lado, en el proceso de optimización se presentan las herramientas para la ejecución de simulaciones a gran escala, que permitan variar los parámetros geométricos de entrada basados en técnicas estadísticas. De esta manera, con los resultados alcanzados de las soluciones numéricas, se generan superficies de respuesta continuas en las que se emplean técnicas de optimización, que tengan como objetivo encontrar la configuración apropiada de la turbina que maximice el rendimiento aerodinámico. Finalmente, en el procedimiento de la estimación de la energía eléctrica suministrada se exponen los modelos matemáticos que consiguen, a partir de una serie temporal de datos meteorológicos, estimar la energía eléctrica suministrada por el conjunto compuesto por la turbina eólica Savonius de configuración óptima y el generador eléctrico acoplado a ella. En la investigación, se evalúa e ilustra esta metodología de diseño con el fin de encontrar la turbina eólica Savonius de configuración óptima y establecer la energía eléctrica que esta podría suministrar dadas las condiciones meteorológicas de la ciudad de Bogotá D.C. Así mismo, se introduce un caso de estudio especial relacionado con las condiciones del municipio de Uribia, en el departamento de la Guajira. La metodología de diseño planteada en este documento junto con sus resultados proporciona herramientas de especial interés para que investigadores y diseñadores evalúen múltiples turbinas eólicas Savonius de acuerdo con técnicas estadística, reduciendo así los costos y los tiempos de experimentación. Sumado a esto, el proceso de optimización propuesto introduce en este tipo de estudios la implementación de la metodología de la superficie de respuesta, la cual permite encontrar la configuración con la que la turbina eólica Savonius consigue maximizar su rendimiento aerodinámico, sin tener que evaluar experimental o numéricamente todas las opciones posibles.