Diseño, control y validación experimental en túnel de viento de turbinas Darrieus impresas en 3D

Abstract

En este trabajo fin de grado se expone el cálculo, diseño, construcción, optimización, control MPPT y validación experimental en túnel de viento para una serie de prototipos de VAWT tipo Darrieus. El proyecto analiza si es o no posible hibridar satisfactoriamente el concepto de palas combadas (forma Troposkien) con el concepto Giromill de palas rectas. Esta hibridación presenta, a priori, una serie de ventajas como la reducción de vibraciones, la optimización del ángulo de ataque o el arranque autónomo mediante control de pitch en las palas rectas. La complejidad del análisis aerodinámico del conjunto, dificulta su estudio mediante métodos de bajo coste computacional como el BEM (Blade Element Momentum). Así pues, el análisis aerodinámico para el diseño de los prototipos exige la adopción de una metodología más avanzada. El análisis CFD (Computer Fluid Dynamics) por elementos finitos, consiste en discretizar el espacio en pequeños volúmenes de control sobre los que se aplican las ecuaciones de Navier-Stokes. Este análisis tiene un altísimo coste computacional y ello ralentiza el estudio sin siquiera asegurar la fidelidad con la realidad por la peculiar dinámica que muestra el fluido en este tipo de rotor. En busca de una mayor agilidad y fidelidad, este proyecto basa el desarrollo de la turbina en una combinación de análisis computacional mediante el DMS (Double Multiple Stream, modelo matemático específico para la turbina Darrieus) y la impresión 3D de prototipos diseñados con Solid Works que son testeados empleando de forma intensiva un túnel de viento. A lo largo del presente trabajo se detallan los hitos ofreciendo una serie de observaciones sobre lo que funciona, lo que no y a qué se debe. Se establecen las relaciones entre el comportamiento de los prototipos a escala de laboratorio y el comportamiento de una turbina a escala real, considerando las limitaciones inherentes la laminaridad del flujo que interactúa con los prototipos (número de Reynolds muy bajo). A la vista de los resultados experimentales, se llega a la conclusión de que el aumento en el tamaño de los prototipos permite efectuar una serie de sencillas modificaciones que aseguran la integridad de la estructura e incrementarán de forma considerable la eficiencia en la captación de energía. Finalmente, se diseña un control MPPT para uno de los prototipos. El proceso de identificación del sistema emplea los resultados experimentales para construir un modelo de la planta utilizando diagramas de bloques. Las simulaciones en Simulink juegan un importante papel en el diseño de un control que tras ser discretizado, se implementa en forma digital operando de forma coordinada con Matlab y Arduino. La experimentación con el sistema PROTOTIPO + GENERADOR + CONTROL MPPT en el túnel proporciona una serie de resultados que son interpretados para identificar posibles mejoras.