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Software para diseño de turbinas eólicas de alto rendimiento para generación de energía eléctrica (VDTURBINE)

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dc.contributor.author Vega del Carmen, Marcelino
dc.date.accessioned 2018-01-22T18:27:19Z
dc.date.available 2018-01-22T18:27:19Z
dc.date.created 2017-06
dc.date.issued 2017-11-28
dc.identifier.citation Vega del Carmen, Marcelino.(2017). Software para diseño de turbinas eólicas de alto rendimiento para generación de energía eléctrica (VDTURBINE). (Doctorado en Ciencias en Ingeniería Mecánica). Instituto Politécnico Nacional, Sección de Estudios de Posgrado e Investigación, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Zacatenco. México. es
dc.identifier.uri http://tesis.ipn.mx/handle/123456789/24120
dc.description Tesis (Doctorado en Ciencias en Ingeniería Mecánica), Instituto Politécnico Nacional, SEPI, ESIME Zacatenco, 2017, 1 archivo PDF, (206 páginas). tesis.ipn.mx es
dc.description.abstract En este trabajo se desarrolló un programa computacional llamado VDTURBINE, para el diseño aerodinámico de turbinas eólicas de eje horizontal para generación de electricidad a gran escala mediante el uso de Algoritmos Genéticos. Se abordaron diferentes métodos para mejorar el diseño aerodinámico para mejorar la producción de energía en zonas con potencial eólico. La investigación se centró en obtener geometrías que mantuvieran un rendimiento constante y alto para las velocidades de viento menores a 10 m/s, tomando en consideración que el rendimiento aerodinámico de las turbinas eólicas tiene su menor valor para las velocidades bajas de viento. La reducción del área de las palas, la longitud mínima de la cuerda en la raíz y ángulo de torcimiento mínimo entre raíz y punta fueron los objetivos secundarios de este trabajo para disminuir los costos de manufactura. El proceso de diseño consistió en el cálculo de una geometría preliminar mediante un modelo teórico. A partir de la geometría preliminar se calculó una nueva geometría con distribuciones de cuerda y ángulos de torcimiento lineales. Las pendientes de las rectas para la cuerda y el ángulo de torcimiento fueron optimizadas con un primer proceso de optimización para obtener un rendimiento aerodinámico máximo para las condiciones de diseño. El cálculo de las distribuciones de cuerdas y los ángulos de torcimiento preliminares y linealizados fueron necesarios para obtener los límites máximos y mínimos requeridos para el segundo proceso de optimización para la determinación de la geometría óptima final. La geometría preliminar fue considerada como la geometría de dimensiones máximas para el diseño, la geometría linealizada fue considerada como la geometría de dimensiones mínimas. El rendimiento aerodinámico fue considerado como la función objetivo. El rendimiento aerodinámico fue calculado con la teoría combinada del elemento de álabe. La validación del programa VDTURBINE se llevó a cabo mediante el diseño de una turbina eólica de 1 MW de potencia adaptada con álabes de paso variable. El diseño final fue un rotor de 64 m de diámetro compuesto con los perfiles aerodinámicos NREL S830, S831 y S832. La turbina fue diseñada para alcanzar el coeficiente máximo de potencia a una velocidad de viento de 10 m/s y a una velocidad de punta de 8. El rendimiento de la geometría preliminar fue de 38.4 % para las condiciones de diseño. Este valor aumentó a 49 % después del proceso de optimización. El diseño final fue escalado en un rotor de 80 cm de diámetro para la validación experimental en un túnel de viento. El rendimiento máximo obtenido experimentalmente fue del 42 % para una velocidad de punta de 8.5. El rendimiento obtenido experimentalmente fue aceptable considerando que el rendimiento promedio de las turbinas eólicas modernas es menor al 45 %. El software VDTURBINE tiene la ventaja sobre otros softwares de diseño de turbinas eólicas de manejar el número de perfiles aerodinámicos que sean necesarios para el diseño de los álabes, de poder utilizar distintos modelos matemáticos para la evaluación del campo de flujo de la turbina, de poder utilizar una interface para el cálculo de los coeficientes de sustentación y arrastre para valores específicos del número de Reynolds y del ángulo de ataque, además de basar el diseño de los álabes para un intervalo de velocidades en lugar de una velocidad de viento puntual. Se concluye que el método de diseño presentado en este trabajo y el software VDTURBINE son confiables para el diseño de turbinas eólicas de gran tamaño, no obstante, la metodología de diseño puede ser mejorada empleando un modelo tridimensional para el cálculo de la función objetivo. es
dc.description.abstract ABSTRACT. In this work was developed a software called VDTURBINE for aerodynamic design of horizontal axis wind turbines for large scale electricity generation using genetic algorithms. Different methods were used to improve the aerodynamic design of a wind turbine and improve the energy production in the areas with wind resource. The research was focused on obtaining geometries that maintain a constant and high performance for wind speeds less than 10 m/s, considering that the aerodynamic performance of a wind turbine has its lowest value for low wind speeds. The reduction of the area of the blades, the minimum chord length in the root and the twist angle between the root and the tip were the secondary objectives of this work to reduce the manufacturing cost. The design process consisted in the calculation of a preliminary geometry using a theoretical model. From the preliminary geometry a new geometry was calculated with the chord distributions and linear twist angles. The slopes of the lines for the chord and the twist angle were optimized with a first optimization process to obtain the maximum aerodynamic performance for the design conditions. The calculation of the chord distributions and the preliminary and linear twist angles were necessary to obtain the maximum and minimum required for the second optimization process for the determination of the final optimal geometry. Preliminary geometry was conceived as geometry of maximum dimensions for design, linear geometry was conceived as the geometry of minimum dimensions. Aerodynamic performance was considered as the objective function. Aerodynamic performance was calculated with the strip theory. The validation of the VDTURBINE program was carried out with the design of a 1 MW wind turbine with variable pitch blades. The final design was a rotor of 64 m of diameter composed with the aerodynamic profiles NREL S830, S831 and S832. The turbine was designed to achieve the maximum power coefficient for a wind speed of 10 m/s and a tip speed ratio of 8. The power coefficient of the preliminary geometry was 38.4 % for design conditions. This value increased to 49 % after the optimization process. The final design was scaled in rotor model of 80 cm diameter for the experimental validation in a wind tunnel. The maximum power coefficient obtained experimentally was 42 % for a tip speed ratio of 8.5. The yield obtained experimentally is acceptable considering that the average power coefficient of modern wind turbines is less than 45%. It is concluded that the design method presented in this work and the VDTURBINE software are reliable for the design of large wind turbines, however, the design methodology can be improved using a three-dimensional model for the calculation of the objective function. en
dc.language.iso es_MX es
dc.publisher Vega del Carmen Marcelino es
dc.subject Software es
dc.subject Generación de energía eléctrica es
dc.subject VDTURBINE es
dc.title Software para diseño de turbinas eólicas de alto rendimiento para generación de energía eléctrica (VDTURBINE) es
dc.type Tesis es
dc.contributor.advisor Toledo Velázquez, Miguel


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