Optimización del diseño de la turbina eólica Savonius

Abstract

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.

The main objective of the degree work entitled: "Optimization of the design of the Savonius wind turbine", is to propose a design methodology to determine the optimal configuration that maximizes the aerodynamic performance of a vertical axis wind turbine of the Savonius type. This is due to the fact that in the specialized bibliography there are few designs of this type of turbines that consider the joint influence of different geometrical parameters in the turbine performance, nor the use of mathematical optimization techniques evaluated on a large scale.

In order to achieve this purpose, the following three main procedures of the design methodology are defined in the research: the parameterization of the numerical simulations, the optimization process and the estimation of the electrical energy supplied by the turbine-generator set.

For the parameterization of the numerical simulations, the variables that are taken into account for the solution of the equations that govern the behavior of the fluid flow in the turbine are defined from a numerical approach. As a result of this stage, different Savonius wind turbine models are generated, depending on four geometric input parameters, and the aerodynamic performance of these turbines is evaluated according to the numerical solutions obtained. On the other hand, in the optimization process, the tools for the execution of large-scale simulations are presented, which allow varying the geometric input parameters based on statistical techniques. In this way, with the results obtained from the numerical solutions, continuous response surfaces are generated in which optimization techniques are used to find the appropriate turbine configuration that maximizes the aerodynamic performance. Finally, in the procedure of the estimation of the electrical energy supplied, the mathematical models that manage, from a time series of meteorological data, to estimate the electrical energy supplied by the set composed by the wind turbine Savonius of optimal configuration and the electrical generator coupled to it, are exposed.

In the research, this design methodology is evaluated and illustrated in order to find the optimally configured Savonius wind turbine and establish the electrical energy that it could supply given the meteorological conditions of the city of Bogotá D.C. Likewise, a special case study related to the conditions of the municipality of Uribia, in the department of La Guajira, is introduced.

The design methodology presented in this document, together with its results, provides tools of special interest for researchers and designers to evaluate multiple Savonius wind turbines according to statistical techniques, thus reducing costs and experimentation times. In addition to this, the proposed optimization process introduces in this type of studies the implementation of the response surface methodology, which allows finding the configuration with which the Savonius wind turbine can maximize its aerodynamic performance, without having to experimentally or numerically evaluate all possible options.