Diseño aerodinámico de una VAWT adecuada a los perfiles de viento de...
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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES
COORDINACIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA
DISEÑO AERODINÁMICO DE UNA VAWT ADECUADA A
LOS PERFILES DE VIENTO DE PARAGUANÁ MEDIANTE CFD
Por:
Josue Samuel Banega Vásquez
PROYECTO DE GRADO
Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar
como requisito parcial para optar al título de
Ingeniero Mecánico
Sartenejas, Septiembre 2016
ii
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES
COORDINACIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA
DISEÑO AERODINÁMICO DE UNA VAWT ADECUADA A
LOS PERFILES DE VIENTO DE PARAGUANÁ MEDIANTE CFD
Por:
Josue Samuel Banega Vásquez
Realizado con la asesoría de:
Nathaly Moreno Salas
PROYECTO DE GRADO
Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar
como requisito parcial para optar al título de
Ingeniero Mecánico
Sartenejas, Septiembre 2016
iv
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES
COORDINACIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA
DISEÑO AERODINÁMICO DE UNA VAWT ADECUADA
A LOS PERFILES DE VIENTO DE PARAGUANÁ MEDIANTE CFD
Por:
Josue Samuel Banega Vásquez
RESUMEN
El desarrollo de nuevas tecnologías orientadas al uso de energías renovables ha dado lugar al
acelerado crecimiento en torno a la fuente eólica debido a su carácter de energía limpia,
sustentable y de poca incidencia ambiental. Entre las zonas costeras de Venezuela, destaca la
Península de Paraguaná por presentar velocidades superiores a los 5 m/s a 10 metros sobre el
nivel del suelo como consecuencia de las brisas marinas, ofreciendo un potencial eólico viable
para su aprovechamiento. Valiéndose de la omni-direccionalidad de las turbinas eólicas de eje
vertical (VAWT), el presente trabajo aborda el diseño aerodinámico de un aerogenerador tipo
Darrieus de perfiles rectos y simétricos, apoyado en la dinámica de fluidos computacional (CFD).
Mediante un análisis estadístico y de probabilidad de una muestra de 8420 datos de las
velocidades del viento registradas en la estación meteorológica de Punto Fijo, se determinó la
velocidad de diseño y la longitud máxima de los álabes. Seguidamente, a través del software libre
OpenFOAM, se elaboró un modelo computacional de la turbina en estudio bajo las
simplificaciones de rotor-estator bidimensional, interfaz de mallado rotativo y modelo de
turbulencia -SST, para perfiles NACA0012, 0015 y 0018 en condiciones de operación
estandarizadas, identificando la configuración geométrica de mayor eficiencia de acuerdo a los
coeficientes aerodinámicos y de potencia obtenidos, donde los resultados demuestran que el
mejor desempeño se alcanza a partir de un rotor de 3 álabes NACA0018, con un coeficiente de
potencia de 0.38 para la condición de diseño, correspondiente a un radio de 1.96 m, cuerda de 10
cm, velocidad del viento de 6 m/s y de rotación de 120 rpm.
Palabras claves: VAWT, Darrieus, CFD, OpenFOAM, NACA.
v
DEDICATORIA
A mis queridos padres, quienes con su amor me han alumbrado un camino hacia la verdad
llamado vida.
“Todos los hombres por naturaleza desean saber”.
Aristóteles, La Metafísica, Libro Primero.
vi
AGRADECIMIENTOS
El diseño como proceso permite la creación de ideas, que sólo con dedicación y apoyo
pueden convertirse en una realidad. Así, el presente trabajo ha sido fruto de la contribución de
diferentes personas a quienes he de reconocerle la más profunda admiración:
A mis padres y mi hermano, quienes con su infinito amor, me han brindado el cariño y el
sostén para levantarme de cada una de las adversidades. A ustedes, les destino todo mi esfuerzo,
mis pensamientos y mis más tiernos deseos.
Al Sr. Perna, la Sra. María y sus niños, Pedro y Lalo, quienes me ofrecieron sus sonrisas y
sus amistades, extendiéndome la mano en aquellos momentos grises durante éstos 5 años de
estancia en la Ciudad de Caracas. Desde lo más sincero de mi corazón: “Gracias”.
A mi tutora Nathaly Moreno, quien aceptó el compromiso para la realización y logro de esta
meta. Fueron sus consejos y orientación, los que permitieron dirigir el rumbo de este trabajo.
A todo el personal del Laboratorio de Conversión de Energía Mecánica y la Agrupación de
Mantenimiento del Sistema A/A de la Biblioteca USB - Sede Sartenejas, por concederme la
posibilidad de trabajar junto a ustedes, enseñándome cada día más sobre la ingeniería.
Al Prof. Ramón Darias del Departamento de Física, por proporcionar recursos tecnológicos
que facilitaron la ejecución del modelaje computacional propuesto.
Finalmente a mis compañeros de curso de Ingeniería Mecánica y todos aquellos, quienes en
su momento me apoyaron desinteresadamente.
A todos ustedes, nuevamente, les expreso mis más genuinos agradecimientos.
ÍNDICE GENERAL
Página
RESUMEN………………………………………………………………………………. iv
DEDICATORIA………………………………………………………………………… v
AGRADECIMIENTOS………………………………………………………………… vi
CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN…………………………………………………….. 1
1.1. Planteamiento del problema………………………………………………………..... 1
1.2. Objetivos de la investigación………………………………………………………... 3
1.2.1. Objetivo general………………………………………………………………. 3
1.2.2. Objetivos específicos…………………………………………………………. 3
1.3. Justificación………………………………………………………………………….. 4
1.4. Antecedentes………………………………………………………………………… 4
CAPÍTULO 2: MARCO TEÓRICO…………………………………………………... 7
2.1. PRIMERA PARTE: El viento, su estudio y aprovechamiento como recurso………. 7
2.1.1. Tratamiento estadístico del viento……………………………………………. 7
2.1.2. Variación del viento con la altura…………………………………………….. 9
2.1.3. Cuantificación de la energía existente en el viento…………………………… 9
2.2. SEGUNDA PARTE: Teorías de diseño aerodinámico de las turbinas de eje vertical 11
2.2.1. Clasificación de la turbinas eólicas…………………………………………… 11
2.2.2. Principio de aerodinámica de las VAWTs……………………………………. 12
2.2.3. VAWT tipo Darrieus………………………………………………………….. 13
2.2.4. Límite de Betz………………………………………………………………… 15
2.3. TERCERA PARTE: Nociones básicas de Dinámica de Fluidos Computacional…… 18
2.3.1. Ecuaciones rectoras de la mecánica de fluidos……………………………… 18
2.3.2. La técnica del volumen finito………………………………………………... 18
2.3.3. Mallado del dominio………………………………………………………… 19
2.3.4. Criterio de estabilidad de Courant………………………………………….... 20
2.3.5. Técnicas de discretización………………………………………………….... 20
2.3.6. Métodos de resolución numérica……………………………………………. 21
2.3.7. Modelos de turbulencia……………………………………………………… 22
2.3.8. Verificación y validación de simulaciones numéricas………………………. 23
CAPÍTULO 3: MARCO METODOLÓGICO……………………………………….... 24
3.1. Estudio del potencial eólico disponible en la Península de Paraguaná……………… 24
3.1.1. Análisis estadístico de las velocidades del viento………………………….... 24
3.1.2. Caracterización del perfil de viento…………………………………………. 25
3.2. Diseño aerodinámico………………………………………………………………… 26
3.2.1. Modelo numérico en CFD………………………………………………….... 26
3.2.2. Generación del dominio computacional y condiciones de borde………….… 26
3.2.3. Validación del mallado……………………………………………………… 27
CAPÍTULO 4: RESULTADOS Y ANÁLISIS……………………………………….... 31
4.1. Selección del tipo de perfil…………………………………………………………... 31
4.2. Selección del número de álabes óptimo……………………………………………... 32
4.3. Curva característica………………………………………………………………….. 34
4.4. Dimensionamiento de la VAWT…………………………………………………….. 34
4.5. Curva de potencia generada por la turbina…………………………………………... 35
CAPÍTULO 5: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES………………….…... 37
REFERENCIAS…………………………………………………………………............. 39
APÉNDICE………………………………………………………………………………. 43
A. Mediciones del viento de Paraguaná…………………………………………………... 43
ÍNDICE DE TABLAS
Página
2.1. Valores del exponente de Hellmann 𝛽 para distintos terrenos………………………. 9
2.2. Modelos de turbulencia RANS listados según el número de ecuaciones de
transporte adicionales……………………………………………………………………..
22
4.1. Coeficientes de potencia promedio para perfiles ensayados………………………… 30
4.2. Coeficientes de potencia promedio para número de álabes ensayados con el perfil
NACA0018………………………………………………………………………………..
33
4.3. Características geométricas y de operación de la VAWT tipo Darrieus diseñada…... 35
ÍNDICE DE FIGURAS
Página
2.1. Flujo de aire a través de una sección circular perpendicular a la velocidad del
viento……………………………………………………………………………………...
10
2.2. Comparación visual entre HAWT y VAWT………………………………………… 11
2.3. Clasificación de las VAWT………………………………………………………….. 12
2.4. Triángulo de velocidad y diagrama de fuerzas de una VAWT Darrieus………….… 13
2.5. Modelo del disco actuador en una turbina eólica……………………………………. 16
2.6. Tipos de mallado…………………………………………………………………….. 19
3.1. Determinación de parámetros por mínimos cuadrados y distribución de
probabilidad de Weibull para las velocidades del viento de Paraguaná………………….
25
3.2. Perfil de velocidad del viento en la Península de Paraguaná………………………... 25
3.3. Mallado y condiciones de borde del modelo computacional de la VAWT…………. 27
3.4. Análisis de convergencia del mallado……………………………………………….. 27
3.5. Campo de presión y de velocidad del perfil aerodinámico NACA0012 para un
ángulo de ataque de 15°…………………………………………………………………..
28
3.6. Campos de flujo sobre el rotor de la VAWT para diferentes posiciones azimutales... 29
3.7. Carácter transitorio de la simulación sobre el movimiento rotor-estator de la
VAWT…………………………………………………………………………………….
29
4.1. Coeficientes aerodinámicos en función de la posición angular θ para diferentes
perfiles NACA en un rotor de 2 álabes…………………………………………………...
31
4.2. Coeficientes de potencia Cp en función de la posición angular θ para diferentes
perfiles NACA en un rotor de 2 álabes…………………………………………………...
32
4.3. Coeficientes aerodinámicos en función de la posición angular θ para diferentes
número de álabes en un rotor de perfiles NACA0018……………………………………
33
4.4. Coeficientes de potencia Cp en función de la posición angular θ para diferentes
número de álabes en un rotor con perfiles NACA0018…………………………………..
33
4.5. Coeficientes de potencia promedio en función de la velocidad específica de giro λ
para 3 perfiles NACA0018 a 120 rpm……………………………………………………
34
4.6. Curva de potencia de la turbina diseñada en función de la velocidad del viento……. 35
LISTA DE ABREVIATURA
CFD Computational Fluid Dynamics (Dinámica de fluidos computacional)
DNS Direct Numerical Simulation (Simulación numérica directa)
FVM Finite Volume Method (Método del volumen finito)
GAMG Geometric-Algebraic Multi-Grid (Método de multi-mallado geométrico y
algebraico)
HAWT Horizontal Axis Wind Turbine (Turbina eólica de eje horizontal)
IEC International Electrotechnical Commission (Comisión Electrotécnica
Internacional)
LES Large Eddy Simulation (Simulación de grandes vórtices)
NACA National Advisory Committee for Aeronautics (Comité Consejero Nacional
para la Aeronáutica)
NASA National Aeronautics and Space Administration (Administración Nacional de
la Aeronáutica y del Espacio)
OpenFOAM Open Field Operation and Manipulation (Software libre de CFD registrado por
ESI Group)
PDVSA Petróleos de Venezuela Sociedad Anónima
PISO Pressure Implict with Split Operator (Método implícito de división para
ecuaciones de presión)
RANS Reynolds Averaged Navier Stokes (Modelo de turbulencia del Reynolds
ponderado para la resolución de las ecuaciones de Navier-Stokes)
SIMPLE Semi-Implict Method for Pressure-Linked Equations (Método semi-implícto
para acoplamiento de ecuaciones de presión)
SIN Sistema Interconectado Nacional
SST Shear Strees Transport (Modelo de transporte de esfuerzos cortantes)
TSR Tip Speed Ratio (Velocidad específica de punta)
VAWT Vertical Axis Wind Turbine (Turbina eólica de eje vertical)
LISTA DE SÍMBOLOS
𝒂 Factor axial de inducción 𝑷 Potencia generada
𝑨 Área 𝑷𝒅 Potencia eólica disponible
𝒄 Factor de escala de la ley de Weibull 𝒒 Presión dinámica local
𝒄𝒂 Cuerda del perfil 𝑹 Radio de la turbina
𝑪𝒅 Coeficiente de arrastre 𝑹𝒆 Número de Reynolds
𝑪𝒍 Coeficiente de sustentación 𝒕 Tiempo
𝑪𝑴 Coeficiente de torque 𝑻 Fuerza tangencial o de empuje
𝑪𝑵̅̅ ̅̅ Eficiencia aerodinámica de la turbina 𝑼 Velocidad
𝑪𝑷 Coeficiente de potencia 𝑽 Volumen
𝑪𝑻 Coeficiente de fuerza tangencial 𝑽𝑵 Componente normal de la velocidad
𝑪𝒐 Número de Courant 𝑽𝑻 Componente tangencial de la velocidad
𝑫 Fuerza de arrastre 𝑾 Velocidad relativa
𝒇 Función densidad de probabilidad 𝒛 Altura
𝑭 Distribución acumulativa 𝜶 Ángulo de ataque
𝒉 Longitud de palas 𝜷 Exponente de Hellmann
𝒌 Factor de forma de la ley de Weibull 𝜼 Eficiencia teórica
𝒍 Distancia recorrida 𝜽 Posición angular
𝑳 Fuerza de sustentación 𝝀 Velocidad específica de punta
𝒎 Masa 𝝁 Viscosidad dinámica
𝑴 Torque aerodinámico 𝝆 Densidad
𝒏 Número de álabes 𝝂 Viscosidad cinemática
𝑵 RPM 𝝈 Desviación estándar
𝒑 Presión estática 𝝎 Velocidad de giro
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
1.1. Planteamiento del problema
Desde 1700, los combustibles fósiles como el carbón, petróleo y gas natural se han utilizado
para impulsar el desarrollo industrial y las comodidades de la vida moderna. Sin embargo, como
todos los procesos de conversión de energía no son completamente eficientes, sus efectos
colaterales de contaminación ambiental han despertado alarmas en el mundo, sobre todo en el
ámbito del calentamiento global. Este escenario ha motivado el establecimiento de políticas
internacionales que favorezcan la sostenibilidad ambiental, mejoren las eficiencias de conversión
y promuevan las tecnologías orientadas al uso de energías renovables, donde la fuente eólica se
presenta como una de las vías más atractivas para las futuras instalaciones de generación eléctrica
dada su acelerada implementación durante la primera década del siglo XXI, alcanzando una
capacidad instalada mundial de 159.2 GW a finales de 2009, equivalente al 2% del consumo
mundial de electricidad, con una tasa de crecimiento anual del 31.7% (González-Longatt, 2010).
Aunque las raíces de las actuales turbinas eólicas nacen a finales del siglo XIX con la
propuesta del científico danés Poul La Cour (1846-1908) de usar la energía mecánica del viento
para generar corriente eléctrica, es a partir de los avances de la aeronáutica con la teoría de los
perfiles alares por sustentación de Kutta-Joukovsky que se dio inicio al estudio de los
aerogeneradores (Burton et al., 2001), donde el ingeniero francés Georges Darrieus (1888-1979)
ofreció una de las mayores contribuciones al campo con su diseño de turbina de eje vertical,
también denominada VAWT por sus siglas en inglés (Villarubia, 2012). Su modelo de variación
cíclica de incidencia, caracterizado por presentar un eje de rotación perpendicular al flujo de aire,
destaca por su capacidad de operación con vientos procedentes de cualquier dirección, sencillez
estructural y adaptabilidad en instalaciones domésticas, ganando interés en el mercado energético
2
de generación eléctrica (Paraschivoiu, 2002; Tong, 2010). Sin embargo, a expensas de sus
favorables características, desarrollan un comportamiento aerodinámico de difícil descripción
teórica motivado al cambio instantáneo del ángulo de ataque al que se ven sometidos los perfiles
del rotor a lo largo de una rotación, produciendo variaciones significativas de presión y de
turbulencias que inciden notablemente en el rendimiento de la máquina. Este fenómeno
transitorio de desprendimiento de vórtices, conocido como “pérdida dinámica” (Dynamic Stall),
es uno de los aspectos principales del modelamiento de las VAWTs (Allet y Paraschivoiu, 1995;
Masson et al., 1998; Scheurich y Brown, 2011), donde las condiciones del flujo y la forma del
rotor determinan el aprovechamiento de las fuerzas del viento para entregar una potencia útil. A
pesar de que existen diferentes enfoques de análisis de las turbinas de eje vertical (Brahimi et al.,
1995), la dinámica de fluidos computacional o CFD, se presenta como una herramienta útil para
el estudio y diseño de cualquier sistema energético en condiciones específicas de operación.
Para el caso de Venezuela, país tropical situado en las costas del mar Caribe de Suramérica,
estudios realizados por la nacional petrolera PDVSA y confirmados por los registros tanto del
programa “NASA Earth Science Surface Meteorology and Solar Energy” y el Servicio de
Meteorología de la Fuerza Aérea Venezolana, revelan que las intensidades del viento en sus
estados costeros son superiores a los 5 m/s (a 10 m sobre el nivel del suelo) con dirección noreste
durante nueve meses consecutivos, donde Falcón llega alcanzar hasta 13 m/s entre los primeros
meses del año (González-Longatt, 2010). Más aún, investigaciones han confirmado indicadores
del tipo biológico y geomorfológico de la Península de Paraguaná (ubicada al norte del estado
Falcón) que la convierten en la zona de mayor aprovechamiento eólico del territorio venezolano
(Berrios, 1995; Hernández y Duarte, 2000).
Así, el presente trabajo aborda el dimensionamiento de una VAWT tipo Darrieus mediante
CFD, evaluando el desempeño aerodinámico de su rotor para las condiciones de flujo de la
Península de Paraguaná. A tal fin, se estudia inicialmente las nociones básicas del tratamiento de
las medidas del viento, así como los principios fundamentales de las turbinas eólicas de eje
vertical y de la dinámica de fluidos. En un apartado siguiente, se ofrece la metodología empleada
en la construcción del dominio computacional destacando la caracterización del perfil de viento
de la región. Finalmente, se presenta los resultados obtenidos del post-procesamiento de los
3
ensayos numéricos de la VAWT, ofreciendo conclusiones y recomendaciones generales de las
simulaciones realizadas.
1.2. Objetivos de la investigación
1.2.1. Objetivo general
Diseñar una VAWT tipo Darrieus de álabes rectos y simétricos, adecuada a los perfiles de
viento de la Península de Paraguaná, identificando la configuración geométrica de mayor
eficiencia de acuerdo a los coeficientes aerodinámicos y de potencia obtenidos.
1.2.2. Objetivos específicos
i. Estudiar el potencial eólico aprovechable de la Península de Paraguaná, mediante el
análisis estadístico de una muestra de las velocidades del viento registrada en la
región.
ii. Determinar la velocidad de diseño y la longitud de las palas del rotor de la VAWT en
función de un diagnóstico probabilístico del perfil de viento medido en Paraguaná.
iii. Desarrollar un modelo de CFD que permita la estimación del campo aerodinámico
del rotor de la turbina para las condiciones de flujo bajo estudio.
iv. Garantizar la independencia de los resultados numéricos del mallado utilizado en el
dominio computacional.
v. Identificar la influencia del tipo de perfil y el número de álabes en el desempeño del
rotor de la turbina eólica, seleccionando la mejor configuración geométrica.
vi. Construir la curva característica de la máquina, dimensionado su rotor para el punto
de diseño encontrado.
vii. Estimar la potencia generada por la turbina según las condiciones de flujo de
Paraguaná.
4
1.3. Justificación
Desde los últimos 15 años, Venezuela ha atravesado una crisis energética causada
principalmente por su dependencia petrolera, falta de inversión en energías alternativas y poco
mantenimiento de sus plantas de generación eléctrica. Estas condiciones, acentuadas hoy en día,
han afectado de manera apreciable el desempeño del suministro eléctrico nacional. En particular,
las regiones aisladas del Sistema Interconectado Nacional (SIN), las cuales dependen en su gran
mayoría de pequeños generadores diésel, han sufrido importantes insuficiencias en la dotación
del servicio eléctrico.
Según informan el Instituto Nacional de Estadísticas en su último Censo Nacional de
Población y Vivienda (INE, 2014), cerca del 11.2% de los 29 millones de habitantes venezolanos
viven en zonas rurales, concentrándose esencialmente en pueblos pesqueros al norte del país, que
de acuerdo a la Fundación para el Desarrollo del Servicio Eléctrico (Fundaelec), corresponden a
más de 2400 comunidades, que no gozan del beneficio de la electricidad.
De esta manera, considerando los avances tecnológicos orientados en el uso de la fuente eólica
debido a su carácter de energía limpia, sustentable y de poca incidencia ambiental, se debe
proponer alternativas de generación eléctrica de pequeña potencia, que permitan satisfacer la
demanda de las zonas aisladas al SIN, como las comunidades rurales ubicadas al norte de la
Península de Paraguaná, donde las bondades ofrecidas por las turbinas eólicas de eje vertical las
convierten en una opción de viable implementación.
1.4. Antecedentes
Con el abundante potencial de energía eólica en las regiones norte-costera e insular del
territorio venezolano, con velocidades promedios entre 6 a 8 m/s, esencialmente constantes a lo
largo del día y con pocas variaciones durante el año, se presentan ventajas para la instalación de
aerogeneradores. En este sentido, buscando evaluar los recursos aprovechables, Berrios (1995)
propuso por primera vez un modelo de simulación numérica adecuando un volumen de control a
la Península de Paraguaná mediante la técnica de elementos finitos 3D. Apoyándose en los
5
tratamientos estadísticos de las observaciones realizadas en la estación meteorológica de Coro,
logró establecer las condiciones de contornos necesarias para la resolución de las ecuaciones
diferenciales de la dinámica de fluidos, estimando velocidades medias y direcciones
prevalecientes del viento que confirmaron la rentabilidad energética de la región. Más aún,
Hernández y Duarte (2000), basados en un registro horario de 1999 por la estación meteorológica
de Punto Fijo, establecieron un segundo marco de referencia de las velocidades del viento de
Paraguaná, encontrando intensidades superiores a 10 m/s, fomentando el desarrollo de proyectos
técnicos de energía eólica (Fernández, 2005; Velluci, 2005).
En relación a trabajos previos de CFD sobre VAWT, un primer análisis fue dirigido por
Fortunato et al. (1995), quienes desarrollaron una metodología para la predicción del campo de
velocidad de estas turbinas. Años más tardes, Ploesteanu et al. (2003) revelaron mediante un
estudio numérico la influencia del número de Reynolds en las características del flujo de las
máquinas eólicas de eje vertical, investigación que emprendieron a través del programa comercial
Fluent 6.0 con el modelo de turbulencia Spalart-Allamaras. Por su parte, McLaren et al. (2007),
usando el software ANSYS-CFX, estimaron las cargas aerodinámicas de una VAWT de pequeña
escala y perfiles rectos apoyado en un modelo híbrido de SST. Posteriormente, Sabaeifard et al.
(2012) presentaron un estudio computacional sobre la aerodinámica y el desempeño de una
turbina eólica de álabes rectos de pequeña escala tipo Darrieus, describiendo el efecto de algunos
parámetros de diseño como el número de álabes, tipo de perfil y la solidez. Basado en su análisis
transitorio con modelo de turbulencia k-ε, determinaron que para una velocidad del viento de 10
m/s, una VAWT de perfiles NACA 0018 o DUW200 exhibe un coeficiente de potencia entre 0.32
y 0.36 con un error aproximado del 10%, alcanzando su máximo valor para una velocidad
específica de punta (TSR) de 3.5, indicando además que la mejor configuración de estas
máquinas se obtiene para 3 álabes con 35% de solidez. Deshpande et al. (2013), estudiaron a su
vez, el desempeño de modelos con solidez de 0.2 y 0.4 en perfiles simétricos NACA0015 y 0018,
así como no simétricos S1210, con velocidades del viento entre 3 y 5 m/s. De sus diferentes casos
analizados con ANSYS-Fluent 13.0 y el modelo de turbulencia k-ω, reseñan que las mayores
eficiencias son alcanzadas por el perfil NACA0018 para una solidez de 0.4 y un TSR cercano a 3.
A pesar de que la gran mayoría de los análisis numéricos realizados en la última década, se
han apoyado en el uso de programas comerciales, nuevas posibilidades se están abriendo con el
6
desarrollo del software libre, alzándose OpenFOAM como la principal alternativa en este campo,
cuyo uso se ha extendido al modelamiento de turbinas eólicas de eje vertical tipo Darrieus, según
reflejan tanto Page y Beaudoin (2007) como García et al. (2015).
A partir de los trabajos anteriores, se evidencia como el empleo de las técnicas de CFD en la
evaluación de las características aerodinámicas del rotor de una VAWT, es capaz de generar
estimaciones aceptables del desempeño de la máquina, permitiendo estudiar los campos de flujo
alrededor de los álabes de la turbina para diferentes condiciones de operación. Además, se
enfatiza la opinión en común de diferentes autores que denotan el uso de perfiles simétricos
NACA0012, 0015 y 0018 para un amplio abanico de velocidades del viento, seleccionándose
como las principales alternativas de diseño de la presente investigación.
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
Para el diseño adecuado de todo sistema energético, es fundamental el estudio del origen del
recurso que se desea aprovechar y de la tecnología existente que logra la explotación de la
mencionada fuente, sólo así será posible el establecimiento de los modelos teóricos apropiados
que permitirán la descripción y el dimensionamiento del sistema en interés. A tal fin, el presente
capítulo aborda las nociones básicas del viento como recurso y su aprovechamiento para
diferentes aplicaciones. Seguidamente, se detalla las teorías de diseño aerodinámico aplicadas a
las turbinas eólicas de eje vertical, para finalmente presentar los principios fundamentales de la
dinámica de fluidos computacional, como técnica numérica orientada al análisis de los modelos
propuestos.
2.1. PRIMERA PARTE: El viento, su estudio y aprovechamiento como recurso
El viento como masa de aire en movimiento tiene su origen en la energía radiante
proveniente del Sol, la cual se convierte en energía térmica al ser absorbida por la superficie
terrestre (Rosato, 1991). Con la desigual insolación en los diferentes puntos del planeta y las
diferencias de calores específicos entre los océanos y la tierra, se generan gradientes de
temperatura y densidad que ocasionan el movimiento convectivo de las corrientes de aire
atmosférico (Carta et al., 2009), condiciones acentuadas en las zonas costeras que dan lugar a las
brisas marinas convenientes para la instalación de turbinas eólicas (Burton et al., 2001).
2.1.1. Tratamiento estadístico del viento
Con la finalidad de evaluar la energía extraíble del viento, es habitual trabajar con funciones
de densidad de probabilidad que se ajusten a los datos medidos por las estaciones meteorológicas
(Carta et al., 2009; Sathyajith et al., 2011). Así, a pesar del comportamiento aleatorio y
8
dependencia temporal de la velocidad del viento 𝑢(𝑡), su valor medio 𝑈 se puede expresar
mediante la Ec. (2.1):
𝑈 = ∫ 𝑢(𝑡)𝑓(𝑢)𝑑𝑢∞
0 (2.1)
donde 𝑓(𝑢) describe una función densidad de probabilidad. La experiencia ha demostrado que las
distribuciones reales del viento se ajustan de manera adecuada a la ley de Weibull (Burton et al.,
2001; Ramírez y Carta, 2005), descrita por la Ec. (2.2):
𝑓(𝑢) = 𝑘𝑢𝑘−1
𝑐𝑘 𝑒−(𝑢
𝑐)
𝑘
(2.2)
en la cual sus dos parámetros 𝑘 y 𝑐 pueden ser determinados mediante un ajuste por mínimos
cuadrados (Villarubia, 2012). Partiendo de la definición de la distribución acumulativa 𝐹(𝑢),
dada en la Ec. (2.3), la aplicación doble logarítmica genera la expresión de una recta de la forma
𝑦 = 𝐴𝑥 + 𝐵, donde sus coeficientes permiten la estimación de los parámetros buscados, tal como
se presenta a continuación:
𝐹(𝑢) = ∫ 𝑓(𝑢)𝑑𝑢 = 1 − 𝑒−(𝑢
𝑐)
𝑘
→ ln[1 − 𝐹(𝑢)] = − (𝑢
𝑐)
𝑘
(2.3a)
ln{ln[1 − 𝐹(𝑢)]} = 𝑘 ln 𝑢 − 𝑘 ln 𝑐 (2.3b)
Del ajuste de mínimos cuadrados 𝑦 = 𝐴𝑥 + 𝐵:
𝑦 = ln{ln[1 − 𝐹(𝑢)]} ; 𝑥 = ln 𝑢 ; 𝐴 = 𝑘 ; 𝐵 = −𝑘 ln 𝑐 (2.3c)
De esta manera, a partir de la recta calculada, su pendiente proporciona el valor de 𝑘, y, el
factor de escala 𝑐 viene dado por:
𝑐 = 𝑒−(𝐵
𝑘) (2.3d)
9
2.1.2. Variación del viento con la altura
Para un adecuado aprovechamiento del recurso eólico, es esencial caracterizar el
comportamiento del viento. En este sentido, se ha comprobado que la velocidad media del aire
atmosférico desarrolla un gradiente con la altura debido a la formación de una capa límite en la
superficie terrestre. Aunque el modelamiento de este fenómeno exige de tratamientos estadísticos
más avanzados, la norma internacional IEC 61400-1 para el dimensionamiento de
aerogeneradores (2005), propone el uso de una correlación práctica conocida como la “Ley
exponencial de Hellmann”, presentada en la Ec. (2.4), que permite una estimación preliminar del
perfil de viento:
𝑈(𝑧) = 𝑈0 (𝑧
𝑧0)
𝛽
(2.4)
siendo 𝑈0 la velocidad a la altura de medición 𝑧0, y, 𝛽 un exponente tabulado para diferentes
condiciones de terreno, según se refleja en la Tabla 2.1.
Tabla 2.1. Valores del exponente de Hellmann 𝛽 para distintos terrenos (Carta et al., 2009)
Tipo de terreno 𝜷
Liso (mar, arena, nieve) 0.10-0.13
Moderadamente rugoso (hierba, campos cereales, regiones rurales) 0.13-0.20
Rugoso (bosques, barrios) 0.20-0.27
Muy rugoso (ciudades, altos edificios) 0.27-0.40
2.1.3. Cuantificación de la energía existente en el viento
Al tratarse el viento como aire en movimiento, presenta masa y velocidad, por lo que tiene
asociado una energía cinética. Toda masa de fluido que atraviesa un área perpendicular al flujo
por unidad de tiempo, puede ser expresada según la Ec. (2.5):
𝑚 = 𝑉𝜌 = (𝐴𝑙)𝜌 = 𝐴(𝑈𝑡)𝜌 → 𝑚 = 𝐴𝜌𝑈𝑡 (2.5)
10
donde 𝑚, 𝑉, 𝜌 y 𝑙 son la masa, el volumen, la densidad y la distancia recorrida por el fluido
respectivamente, mientras que 𝐴 es el área perpendicular a la dirección del flujo. La Figura 2.1
presenta el modelo propuesto.
Figura 2.1. Flujo de aire a través de una sección circular perpendicular a la velocidad del viento
Apoyado en la definición de energía cinética, dada por la Ec. (2.6), es posible obtener una
función que contabilice la disponibilidad energética del viento:
𝐸𝑐 =1
2𝑚𝑈2 =
1
2(𝐴𝜌𝑈𝑡)𝑈2 → 𝐸𝑐 =
1
2𝐴𝜌𝑡𝑈3 (2.6)
Por lo tanto, la potencia eólica disponible 𝑃𝑑 está determinada por el flujo de energía cinética
por unidad de tiempo (Carta et al., 2009), tal como se verifica en la Ec. (2.7):
𝑃𝑑 =𝐸𝑐
𝑡=
1
2𝐴𝜌𝑈3 (2.7)
La ecuación anterior posee un gran valor en el estudio del aprovechamiento de la energía
eólica, ya que revela la proporcionalidad de la potencia disponible con el cubo de la velocidad del
viento y el área de la superficie incidente, dado que las variaciones de la densidad del aire en
relación a la altitud y a las condiciones atmosféricas se encuentran en un orden del 7% sobre su
valor medio estándar, suponiéndose constante para diversos casos prácticos (Carta et al., 2009).
De esta manera, la adecuada captación del viento como recurso está destinada a la selección
conveniente de los posibles emplazamientos de instalación y el dimensionado óptimo de los
aerogeneradores.
11
2.2. SEGUNDA PARTE: Teorías de diseño aerodinámico de las turbinas de eje vertical
El sistema de captación de una turbina eólica está integrado por un rotor o pieza giratoria que
a través de sus álabes logra la transformación de la energía cinética del viento en un par mecánico
sobre un eje rotatorio. El desempeño del rotor determina la eficiencia de toda máquina de viento
hasta el punto de convertirse en su elemento principal (Hanzen, 2008). Su diseño se basa en los
principios de la aerodinámica clásica, de las características globales de la turbina y de las
condiciones ambientales en la que se presume el emplazamiento de la máquina (Eggleston y
Stoddard, 1987; Dixon, 1998).
2.2.1. Clasificación de las turbinas eólicas
Atendiendo a la posición del eje de giro del rotor relativo al flujo del aire, las turbinas eólicas
se clasifican en máquinas de eje horizontal y eje vertical, ilustrado en la Fig. 2.2. Hoy en día, las
turbinas más comerciales son aquellas pertenecientes al primer grupo, denominadas “HAWT”
según las siglas en inglés de “Horizontal Axis Wind Turbine”, en las cuales el eje de rotación es
paralelo al flujo de aire. La ventaja principal de estas máquinas es su elevada eficiencia, sin
embargo requieren de sistemas de orientación para aprovechar el viento (Paraschivoiu, 2002).
Tanto Burton et al. (2001) como Hanzen (2008), ofrecen amplias descripciones del principio de
funcionamiento y la aerodinámica asociada a estos dispositivos.
Figura 2.2. Comparación visual entre HAWT y VAWT (Wahl, 2007)
Por su parte, las turbinas eólicas de eje vertical, catalogadas como “VAWT” o “Vertical Axis
Wind Turbine”, presentan un eje de rotación perpendicular al flujo del aire. De acuerdo a la
literatura (Paraschivoiu, 2002; Tong, 2010), sus características más resaltantes son la capacidad
HAWT VAWT
12
de operar con vientos procedentes de cualquier dirección y la disposición de la caja de
transmisión y el generador eléctrico a nivel del suelo, simplificando el diseño estructural, montaje
y mantenimiento. No obstante, su principal desventaja radica en la variación del par
aerodinámico con la posición de los álabes, reduciendo la calidad de potencia suministrada
(Sharpe, 1990; De Battista, 2000).
2.2.2. Principios de aerodinámica de las VAWTs
El desempeño de una turbina eólica depende principalmente de las actuaciones que ejerce el
aire sobre los álabes del rotor, generadas por la distribución de presiones y esfuerzos cortantes
desarrollados por el movimiento relativo fluido-sólido. En particular, dos son las fuerzas de
interés: una de arrastre 𝐷 paralela a la dirección del flujo; y una de sustentación 𝐿 perpendicular a
la velocidad de la corriente incidente, ambas dependientes de las condiciones del fluido y las
características geométricas del cuerpo en estudio. Mencionadas fuerzas suelen expresarse en
términos de parámetros adimensionales conocidos como los coeficientes de arrastre 𝐶𝐷 y de
sustentación 𝐶𝐿, los cuales permiten expresar la efectividad de un sólido para producir fuerzas
aerodinámicas (Cengel y Cimbala, 2006).
Las turbinas eólicas de eje vertical pueden dividirse atendiendo a estas fuerzas, como se
evidencia en la Fig. 2.3: aquellas apoyadas en el arrastre, ubicadas en la categoría de rotor
Savonius; y los modelos de variación cíclica de incidencia que se benefician de la sustentación,
pertenecientes al grupo de las turbinas Darrieus (Villarubia, 2012). Este último grupo será el
objeto de estudio del presente trabajo.
Figura 2.3. Clasificación de las VAWT (Paraschivoiu, 2002):
(a) De sustentación aerodinámica; (b) De arrastre diferencial
13
2.2.3. VAWT tipo Darrieus
Para el caso de las turbinas Darrieus que emplean perfiles alares, sólo cuando la componente
de la sustentación proyectada en la dirección de la cuerda supera su contraparte del arrastre, se
genera la suficiente fuerza tangencial o de empuje 𝑇 responsable del torque aerodinámico 𝑀,
condición que varía para cada posición azimutal 𝜃 según se evidencia en la Fig. 2.4:
Figura 2.4. Triángulo de velocidad y diagrama de fuerzas de una VAWT Darrieus
Partiendo del gráfico anterior, las componentes tangencial y normal de la velocidad incidente
en el rotor, vienen dadas por las Ecs. (2.8) y (2.9), respectivamente:
𝑉𝑇 = 𝑅𝜔 + 𝑈 cos 𝜃 (2.8)
𝑉𝑁 = 𝑈 sin 𝜃 (2.9)
siendo 𝑅 el radio y 𝜔 la velocidad rotacional de la turbina. Así, la velocidad relativa 𝑊, el ángulo
de ataque 𝛼 y la presión dinámica local 𝑞, percibidos por la sección de un perfil, están definidos
por las siguientes expresiones:
𝑊 = √𝑉𝑇2 + 𝑉𝑁
2 = 𝑈 [√(𝑅𝜔
𝑈+ sin 𝜃)
2
+ (cos 𝜃)2] (2.10)
14
𝛼 = tan−1 (𝑉𝑁
𝑉𝑇) = tan−1 (
sin 𝜃𝑅𝜔
𝑈+cos 𝜃
) (2.11)
𝑞 =1
2𝜌𝑊2 (2.12)
Para una geometría y velocidad de rotación dada, el torque y la potencia desarrollada por la
turbina se pueden calcular a partir de la “Teoría del elemento de pala” (Paraschivoiu, 2002).
Basado en la dependencia de los coeficientes de sustentación y arrastre con el ángulo de ataque,
se pueden definir los parámetros adimensionales de fuerza normal 𝐶𝑁 y tangencial 𝐶𝑇, tal como
se presenta a continuación:
𝐶𝑁 = 𝐶𝐿 cos 𝛼 + 𝐶𝐷 sin 𝛼 (2.13)
𝐶𝑇 = 𝐶𝐿 sin 𝛼 − 𝐶𝐷 cos 𝛼 (2.14)
Como el torque aerodinámico es producido sólo por la componente tangencial de la fuerza en
el elemento de pala (Kevat et al., 2013), entonces para un único perfil en una posición azimutal
𝑑𝜃, se tiene que:
𝑑𝑀 = 𝑐𝑎ℎ𝑅𝑞𝐶𝑇𝑑𝜃 (2.15)
donde 𝑐𝑎 es la cuerda del perfil y ℎ la longitud de las palas. Integrando la Ec. (2.15) para una
revolución completa del rotor (0 < 𝜃 < 2𝜋) y considerando el número 𝑛 de álabes, el torque total
viene dado por la Ec. (2.16):
𝑀(𝜃) =𝑛𝑐𝑎ℎ𝑅
2𝜋∫ 𝑞𝐶𝑇𝑑𝜃
2𝜋
0 (2.16)
La potencia generada por la turbina eólica se obtiene a partir del producto del torque
aerodinámico por la correspondiente velocidad de giro de la máquina:
𝑃(𝜃) = 𝑀(𝜃)𝜔 (2.17)
15
De esta manera, el coeficiente de potencia 𝐶𝑝 de la turbina, se define como la relación entre
la potencia mecánica extraída y la disponible en el viento, según se expresa en la Ec. (2.18):
𝐶𝑝(𝜃) =𝑃(𝜃)
𝑃𝑑=
𝑀(𝜃)𝜔1
2𝐴𝜌𝑈3
(2.18)
Promediando el coeficiente de potencia sobre una revolución, indicado en la Ec. (2.19), es
posible obtener una medida de la eficiencia aerodinámica del rotor de la turbina:
𝜂 ≡ 𝐶𝑝̅̅ ̅ =
1
2𝜋∫ 𝐶𝑝(𝜃)𝑑𝜃
2𝜋
0 (2.19)
Por su parte, la velocidad específica de punta 𝜆 o también denominada 𝑇𝑆𝑅, del inglés “Tip-
Speed-Ratio”, es un parámetro que permite caracterizar el desempeño de una VAWT para
diferentes puntos de operación (Cáceres, 2014), además de ser el factor de proporcionalidad entre
el coeficiente de potencia y torque 𝐶𝑀 (Beri et al., 2011; Kevat et al., 2013), como se refleja en
las Ecs. (2.20) y (2.21):
𝜆 =𝑅𝜔
𝑈 (2.20)
𝐶𝑃 = 𝜆𝐶𝑀 (2.21)
2.2.4. Límite de Betz
El físico alemán Albert Betz (1885-1968), basado en un modelo unidimensional de cantidad
de movimiento y asumiendo el rotor de la turbina como un “disco actuador” que genera una
caída de presión a través del tubo de corriente que lo atraviesa, para condiciones de flujo en
régimen estacionario, homogéneo e incompresible, estableció el límite teórico superior de
cualquier turbina eólica (Beri et al., 2011).
A partir del modelo del disco actuador, presentando en la Fig. 2.5, la conservación de la
cantidad de movimiento en el volumen de control bajo estudio, permite calcular la fuerza ejercida
por el viento sobre el rotor de la turbina, según se expresa en la Ec. (2.22):
16
Figura 2.5. Modelo del disco actuador en una turbina eólica (Beri et al., 2011)
𝑇 = 𝑈1(𝜌𝐴𝑈)1 − 𝑈4(𝜌𝐴𝑈)4 = �̇�(𝑈1 − 𝑈4) (2.22)
donde por la premisa de régimen estacionario, el flujo másico se mantiene constante a lo largo de
todo el dominio �̇� = (𝜌𝐴𝑈)1 = (𝜌𝐴𝑈)4. Aplicando la ecuación de Bernoulli, corriente arriba y
abajo del disco actuador, se obtienen las expresiones siguientes:
𝑝1 +1
2𝜌𝑈1
2 = 𝑝2 +1
2𝜌𝑈2
2 (2.23a)
𝑝3 +1
2𝜌𝑈3
2 = 𝑝4 +1
2𝜌𝑈4
2 (2.23b)
suponiendo que las presiones estáticas 𝑝1 y 𝑝4 son iguales (a la atmosférica), así como también
sucede con las velocidades a través del disco actuador (𝑈2 = 𝑈3 = 𝑈𝑑). De esta manera, el
empuje sentido por el rotor puede ser descrito en términos de una diferencia de presiones debido
a la extracción de energía cinética:
𝑇 = 𝐴𝑑(𝑝2 − 𝑝3) (2.24)
para el cual 𝐴𝑑 representa el área del disco perpendicular al flujo. Resolviendo para (𝑝2 − 𝑝3) de
las Ecs. (2.23), y sustituyendo su valor en (2.24), es posible obtener:
𝑇 =1
2𝜌𝐴𝑑(𝑈1
2 − 𝑈42) (2.25)
17
Igualando (2.22) y (2.25), se obtiene que la velocidad del viento a través del disco actuador
es igual al promedio de la velocidad corriente arriba y abajo del volumen de control:
𝑈𝑑 =𝑈1+𝑈4
2 (2.26)
Definiendo un factor de inducción axial 𝑎 como el decremento fraccional de la velocidad del
viento a través del rotor, se tienen las siguientes ecuaciones:
𝑎 =𝑈1−𝑈2
2 (2.27a)
𝑈2 = 𝑈𝑑 = 𝑈1(1 − 𝑎) (2.27b)
𝑈4 = 𝑈1(1 − 2𝑎) (2.27c)
Reemplazando (2.27) en (2.25), se tiene que la fuerza de empuje en el rotor está definida
como:
𝑇 =1
2𝜌𝐴𝑑𝑈1
2[4𝑎(1 − 𝑎)] (2.28)
Por lo tanto, la potencia generada por el rotor se obtiene a partir de la Ec. (2.29):
𝑃 = 𝑇𝑈𝑑 =1
2𝜌𝐴𝑑𝑈1
3[4𝑎(1 − 𝑎)2] (2.29)
Así, el coeficiente de potencia teórico queda caracterizado en función del factor axial de
inducción:
𝐶𝑝 =𝑃
𝑃𝑑=
1
2𝜌𝐴𝑑𝑈1
3[4𝑎(1−𝑎)2]
1
2𝜌𝑈1
3𝐴𝑑
→ 𝐶𝑝 = [4𝑎(1 − 𝑎)2] (2.30)
Si se deriva la Ec. (2.30) respecto al factor 𝑎 y se iguala a cero, se encuentra que la potencia
máxima extraíble de una turbina eólica, conocido como “Límite de Betz”, está dado por (2.31):
18
𝐶𝑝𝑚á𝑥 (𝑎 =
1
3) =
16
27≈ 0.5926 (2.31)
A pesar de que la deducción presentada se determinó para una máquina de eje horizontal,
Walker y Jenkins (1997), confirman su validez teórica para las turbinas de eje vertical.
2.3. TERCERA PARTE: Nociones básicas de Dinámica de Fluidos Computacional
Es conocido que la técnica de CFD resuelve de manera aproximada las ecuaciones rectoras
del movimiento de un fluido, permitiendo obtener los campos de presión y velocidad del dominio
en estudio (Versteeg y Malalasekera, 1995).
2.3.1. Ecuaciones rectoras de la mecánica de fluidos
Las ecuaciones gobernantes de la dinámica de fluidos representan las leyes de la
conservación de la física. Bajo la suposición de flujo incompresible y viscosidad 𝜇 constante, las
ecuaciones de continuidad y cantidad de movimiento (descrita por la formulación de Navier-
Stokes), están dadas por las Ecs. (2.32) y (2.33), respectivamente, las cuales se encuentran
acopladas:
∇ ∙ �̅� = 0 (2.32)
𝜌𝐷�̅�
𝐷𝑡= 𝜌𝑔 − ∇𝑝 + 𝜇∇2�̅� (2.33)
2.3.2. La técnica del volumen finito
El método del volumen finito (FVM) es una técnica numérica que transforma las ecuaciones
en derivadas parciales sobre un elemento diferencial, en un sistema de ecuaciones algebraicas y
discretas sobre un volumen finito o celda. Su primer paso consiste en dividir la geometría del
dominio estudiado en pequeños volúmenes de control donde las propiedades del fluido son
almacenadas en nodos o puntos de conectividad. Seguidamente, mediante integración gaussiana,
las ecuaciones diferenciales parciales de cada volumen de control son transformadas en
19
ecuaciones algebraicas. De esta manera, el conjunto de ecuaciones obtenido es resuelto para
computar los valores de las variables dependientes, como las presiones y velocidades (Moukalled
et al., 2015).
2.3.3. Mallado del dominio
Una vez definido y construido una geometría asociada al problema en estudio, se debe
dividir el dominio computacional en una red discreta de volúmenes de control donde las variables
puedan ser calculadas. Este procedimiento es conocido como “mallado” (del inglés “meshing”).
A partir de la calidad de la malla usada, se desprende la precisión de los resultados en toda
simulación. Su generación depende del tipo de investigación a realizar, ya que resulta de un
compromiso entre las especificaciones impuestas y el recurso computacional disponible (Rivrud,
2013).
De acuerdo a Ferzinger et al. (2002), las mallas pueden ser “estructuradas”, cuando se
identifican por un tipo de conectividad regular y enumeración consecutiva, siendo más eficientes
para los tiempos de cálculos. Sin embargo, para geometrías complejas no siempre se pueden
emplear estos mallados, por lo que es indispensable usar mallas “no estructuradas” como parte
del dominio computacional. La Figura 2.6 ilustra ambos tipos de mallados.
Figura 2.6. Tipos de mallado (Ferzinger et al., 2002):
Malla estructurada (a la izquierda) y malla no estructurada (a la derecha)
Aunque la discretización espacial determina la calidad y precisión de los resultados, la
estabilidad de una simulación con su respectiva convergencia, está definida a partir de un criterio
temporal.
20
2.3.4. Criterio de estabilidad de Courant
El número de Courant 𝐶𝑜, también conocido como “Criterio de Courant-Fiedrich-Levy”, es
un parámetro fundamental que se debe considerar en todo análisis de CFD, definido según la Ec.
(2.34):
𝐶𝑜 =𝑈𝛿𝑡
𝛿𝑥 (2.34)
donde 𝛿𝑡 es el paso temporal (también denominado “time-step”) y 𝛿𝑥 es la dimensión
característica de la celda. De acuerdo al presente criterio, se exige que el número de Courant sea
menor o igual a uno para que el fluido no viaje más de una celda en cada paso temporal,
garantizando así la estabilidad numérica y convergencia de los resultados obtenidos (Rivrud,
2013).
2.3.5. Técnicas de discretización
La discretización es el proceso de transformar una ecuación diferencial en una ecuación
algebraica aproximada. En este sentido, las ecuaciones rectoras de la mecánica de los fluidos,
tienen que ser discretizadas temporal y espacialmente a fin de ser resueltas numéricamente. Con
el método de integración gaussiana empleado en los análisis de CFD, se asume valores en las
caras de las celdas del mallado, para luego ser interpolados hacia sus respectivos centros (Rivrud,
2013). Aunque la discretización puede ser de cualquier orden de error, mientras mayor sea éste,
los resultados serán más precisos pero más complejos de implementar, dando lugar a posibles
inestabilidades. Un enfoque común, es emplear una “diferencia central” entre dos puntos vecinos
en cada lado del centro de una celda, correspondiendo a un esquema lineal de segundo orden, tal
como se presenta en la Ec. (2.35):
𝜕𝑢
𝜕𝑥=
𝑢𝑖+1−𝑢𝑖−1
2𝛿𝑥+ 𝑂(𝛿𝑥2) (2.35)
21
Por su parte, para las discretizaciones temporales, se aconseja el uso del “método de Euler”,
que a pesar de su primer orden de precisión es de sencilla implementación, según se refleja en la
siguiente expresión:
𝜕𝑢
𝜕𝑡=
𝑢𝑖𝑛+1−𝑢𝑖
𝑛
𝛿𝑡+ 𝑂(𝛿𝑡) (2.36)
2.3.6. Métodos de resolución numérica
A raíz de la discretización de las ecuaciones rectoras, un juego de ecuaciones algebraicas es
obtenido. Estas ecuaciones son resueltas por técnicas iterativas que involucran: 1) Proposición de
soluciones preliminares o “semillas de iteración”; 2) Linealización e interpolación de las
ecuaciones sobre una solución; y 3) Mejoramiento de la solución hasta el alcance de criterios de
convergencia (Ferzinger et al., 2002). En general, estás técnicas se agrupan dentro de
solucionadores (del inglés “solvers”) que están previamente incorporados en las bibliotecas de los
programas de CFD, dependiendo del usuario la selección del enfoque más adecuado para un
determinado problema. Para la ejecución de los solucionadores, es necesaria la introducción de
variables preliminares, como el “número de iteraciones máximas” y la “tolerancia” que deben ser
especificados como medio de control de la solución. Se destaca que para una baja tolerancia, se
incrementa la carga computacional, por lo que su valor depende de un equilibrio entre la
precisión deseada y los recursos disponibles.
La resolución numérica de las ecuaciones algebraicas se realiza a través de métodos
matriciales que al ser iterativas, producen una desviación de la solución real. Esta medida del
error de las ecuaciones de conservación, es denominada el “residuo” (proveniente del inglés
“residual”), el cual es de gran importancia en el monitoreo de la convergencia de la simulación.
Un pequeño residuo, implica a su vez, una mayor precisión de los resultados (Rivrud, 2013).
Tres son los algoritmos más empleados por sus rápidas convergencias: el GAMG
(“Geometric-Algebraic Multi-Grid”), usado para resolver las ecuaciones de presión, cuyo
principio se basa en la estimación de una solución en una malla gruesa como condición inicial
que luego es mapeada a mallas más refinadas; PISO (“Pressure Implict with Split Operator”); y
SIMPLE (“Semi-Implict Method for Pressure-Linked Equations”), últimos enfoques destinados a
22
la resolución de las ecuaciones de Navier-Stokes mediante el acoplamiento de los campos de
velocidad y presión (Ferzinger et al., 2002). El principio por el cual se rigen, está basado en la
obtención del campo de velocidad descrito por las ecuaciones de cantidad de movimiento a partir
de una semilla inicial, para seguidamente computar el campo de presión y el flujo másico que
atraviesa cada celda, valores con los que se corrige las velocidades del dominio en estudio hasta
alcanzar una determinada convergencia que permita avanzar al siguiente paso temporal. Para una
mayor comprensión sobre la aplicación de estos métodos numéricos, se recomienda acudir a los
trabajos de Patankar (1980); Versteeg et al. (1995) y Ferzinger et al. (2002).
2.3.7. Modelos de turbulencia
Todos los problemas de ingeniería se convierten en transitorios y turbulentos a partir de
cierto número de Reynolds, siendo necesaria la implementación de herramientas que permitan
describir estos fenómenos (Rivrud, 2013). Desde el punto de vista numérico, existen tres maneras
de modelar la turbulencia: 1) DNS (“Direct Numerical Simulation”) que resuelve directamente
las ecuaciones de Navier-Stokes, siendo su costo computacional demasiado elevado y poco
práctico; 2) LES (“Large Eddy Simulation”) que computa los grandes vórtices mediante las
ecuaciones gobernantes, exigiendo amplios recursos computacionales; y 3) RANS (“Reynolds
Averaged Navier Stokes”), modelo más utilizado en las aplicaciones prácticas e industriales por
su sencillez de implementación (Pineda et al., 2012).
De acuerdo al modelo de RANS, se incorpora nuevas variables a la ecuación de cantidad de
movimiento a fin de modelar los esfuerzos cortantes viscosos. En función del número adicional
de ecuaciones de transporte empleadas, se pueden clasificar los modelos de turbulencia de
RANS, tal como señala Versteeg et al. (1995) en la Tabla 2.2:
Tabla 2.2. Modelos de turbulencia de RANS listados según el número de ecuaciones de
transporte adicionales (Versteeg et al., 1995)
Número de ecuaciones de
transporte adicionales Modelo de turbulencia
Cero Lineal
Una Spalart-Allmaras
Dos k − ε
k − ω SST
23
Los modelos estándar de turbulencia son aquellos que corresponden a dos ecuaciones
adicionales de transporte. Así, el modelo k − ε ha sido ampliamente probado, ofreciendo buenos
resultados en diferentes aplicaciones industriales, a pesar de sus limitaciones en el modelamiento
de la capa límite en flujos confinados o sujetos a grandes tensiones de esfuerzos cortantes. Por su
parte, el modelo k − ω mejora las condiciones en las zonas cercanas a superficies sólidas para
bajos números de Reynolds pero es sensitivo al flujo de corriente libre (Versteeg et al., 1995). De
esta manera, surge el modelo híbrido de SST (“Shear Stress Transport”) que combina los
beneficios de ambos enfoques destinando su uso a un gran número de casos prácticos (Rivrud,
2013).
2.3.8. Verificación y validación de simulaciones numéricas
Para que los resultados de CFD tengan validez, se debe especificar la incertidumbre que
contienen. A tal fin, es esencial hacer una “verificación” donde se determine que la
implementación del modelo es suficientemente precisa para representar la descripción conceptual
desarrollada, cuantificando los errores presentes en la solución calculada y estimando su
precisión. Según AIAA (1998) y Oberkampf et al. (2002), este proceso se puede lograr a través
de un chequeo del código, convergencia iterativa, consistencia con el fenómeno físico estudiado y
sensibilidad del mallado. Por su parte, la “validación” consiste en determinar el grado con el cual
el modelo es una representación del mundo real, para lo cual es necesario comparar los resultados
numéricos con ensayos experimentales o simulaciones numéricas directas, provenientes de
institutos académicos certificados.
Es esencial mantener presente que toda simulación es una aproximación sujeta a las
incertidumbres de los datos experimentales y los errores sistemáticos, donde sólo a través de un
proceso de validación es posible desarrollar un estudio veraz.
CAPÍTULO 3
MARCO METODOLÓGICO
Cualquier investigación que desee alcanzar el logro de sus objetivos, debe establecer una
serie de pasos u orden de prioridades que encaminen el trabajo hacia los resultados esperados. De
esta manera, el presente apartado describe la metodología empleada, iniciando con el análisis de
una muestra de las velocidades del viento registradas en la Península de Paraguaná.
Seguidamente, se asientan las premisas que dan lugar a un modelo de CFD representativo del
problema físico bajo estudio, implementado mediante software libre, para en última instancia
validar y calibrar los parámetros de las simulaciones numéricas que garantizan el diseño
aerodinámico propuesto.
3.1. Estudio del potencial eólico disponible en la Península de Paraguaná
El primer paso para el dimensionamiento del sistema eólico, consiste en el estudio estadístico
y probabilístico de la medida del viento, a miras de determinar las características globales del
flujo que incidirán sobre la operación de la turbina.
3.1.1. Análisis estadístico de las velocidades del viento
En base a una muestra de 8420 datos ofrecidos por Hernández y Duarte (2000), de las
mediciones horarias del viento registradas en la estación meteorológica de Punto Fijo (localizada
al suroeste de la Península de Paraguaná en las coordenadas 11°39’ latitud Norte, 70°3’ longitud
Oeste y 22 msnm) con un anemómetro de cazoletas a 10 metros sobre el nivel del suelo, se
evaluó el potencial energético disponible en la región. Trabajando con 20 categorías para las
velocidades del viento, la función de Weibull (con 𝑘=2.2758 y 𝑐=7.1933, obtenidos del ajuste por
mínimos cuadrados presentado en la Fig. 3.1), revela que la velocidad media anual del viento es
6.1 m/s con una desviación estándar σ de 2.9 m/s.
25
Así mismo, se observa que alrededor de los 6 m/s se encuentra la mayor probabilidad de
frecuencia con 12.9%, seleccionándose como la velocidad de diseño del flujo libre, valor que se
encuentra por encima del mínimo requerido para el arranque de una turbina eólica (Pinilla, 1997).
Figura 3.1. Determinación de parámetros por mínimos cuadrados (a la izquierda) y distribución
de probabilidad de Weibull (a la derecha) para las velocidades del viento de Paraguaná
3.1.2. Caracterización del perfil de viento
De acuerdo al perfil de viento obtenido (con 𝛽=0.12 en la función de Hellmann), evidenciado
en la Fig. 3.2, para 9 y 11 metros de altura, las variaciones de velocidad en comparación al valor
de diseño (6 m/s a 10 m) son de 1.33 y 1.15%, respectivamente. Estas características permiten
limitar la longitud de las palas de una VAWT, instalada en la Península de Paraguaná, a 2 metros
si se desea disponer de un flujo uniforme en el rotor de la turbina ubicado a 10 metros sobre el
nivel del suelo.
Figura 3.2. Perfil de velocidad del viento en la Península de Paraguaná
0
2
4
6
8
0 4 8 12 16 20
Vel
oci
dad
del
vie
nto
u [
m/s
]
Altura z [m]
𝑈 𝑧 = 𝑈0 𝑧
𝑧0 𝛽
𝑈0 = 6 m/s; 𝑧0 = 10 𝑚
𝛽 = 0.12
‹yi› = A‹xi› + B
‹yi› = 2.2758‹xi› - 4.4905
R² = 0.9643
k = A = 2.2758
c = exp(-B/A) = 7.1933
-6.0
-4.0
-2.0
0.0
2.0
4.0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
‹yi›
=ln
[-ln
(1-F
i)]
‹xi›=ln(vi)
Mediciones experimentales Ajuste por mínimos cuadrados
0
350
700
1050
1400
0%
4%
8%
12%
16%
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Fre
cuen
cia
Pro
bab
ilid
ad
Velocidad del viento [m/s]
Histograma de frecuencias Probabilidad de Weibull
U = 6.1 ± 2.9 m/s
26
3.2. Diseño aerodinámico
Numerosas investigaciones han demostrado las capacidades del CFD en la estimación del
desempeño de las VAWT tipo Darrieus (Gosselin et al., 2013; Ferrer y Montlaur, 2015),
justificando su uso como herramienta de diseño.
3.2.1. Modelo numérico en CFD
Apoyado en el software libre OpenFOAM, que ha extendido su aplicación en diferentes
áreas de la ciencia e ingeniería, sobre todo en el campo de las turbomáquinas (Page y Beaudoin,
2007), se desarrolló un modelo computacional 2D de la turbina aprovechando la simetría axial de
sus álabes rectos y el flujo uniforme del viento. La aplicación de las bibliotecas ofrecidas por el
programa, permite determinar las fuerzas sobre las superficies de los álabes y en consecuencia los
respectivos coeficientes aerodinámicos buscados.
Para la construcción del modelo se emplearon las siguientes hipótesis de trabajo: aire
estándar como fluido de trabajo (𝜌=1.225 kg/m3 y 𝜈=1.5E-05 m
2/s); flujo incompresible,
bidimensional, efectos gravitatorios despreciables y turbulento, para lo cual se usó la formulación
- SST, con =0.24 y =1.78, según los resultados positivos señalados por McLaren (2011),
con funciones de pared sobre las superficies de los álabes y eje.
3.2.2. Generación del dominio computacional y condiciones de borde
El dominio computacional fue generado mediante el software libre Gmsh (Geuzaine y
Remacle, 2009). Aprovechando la uniformidad de magnitud y dirección del perfil de viento
analizado en Paraguaná, el dominio se caracterizó por un canal rectangular con cuatro zonas de
interés parametrizadas: la región de entrada (estator inlet) y salida (estator outlet), el disco rotor;
y elipses envolventes sobre los perfiles aerodinámicos para captar los efectos de desprendimiento
de capa límite. En la Figura 3.3, se puede presenciar el mallado híbrido del dominio (estructurado
en los perfiles y el estator; y no estructurado en el disco rotor para facilitar la adaptación de las
interfaces rotativas) junto a las correspondientes condiciones de borde empleadas.
27
Figura 3.3. Mallado y condiciones de borde del modelo computacional de la VAWT
Para el ajuste transitorio del movimiento rotor-estator, se emplearon las opciones de interfaz
rotativo cyclicAMI (Arbitrary Mesh Interface), y pimpleDyMFoam (algoritmo basado en la
combinación de los esquemas PISO y SIMPLE) para solucionar las ecuaciones rectoras de la
dinámica de fluidos con OpenFOAM (Greenshields, 2015).
3.2.3. Validación del mallado
Para corroborar el sentido físico y garantizar la independencia de los resultados numéricos
del mallado utilizado, se efectuó un análisis de convergencia. De esta manera, partiendo de las
pruebas experimentales de VAWTs desarrolladas en Sandia Laboratories por Sheldahl et al.
(1981), se reprodujeron numéricamente los condiciones de los ensayos hasta validar el
coeficiente de sustentación de un perfil NACA0012 para un número de Reynolds de 40000 y un
ángulo de ataque de 15°, como se observa en la Fig. 3.4.
Figura 3.4. Análisis de convergencia del mallado
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.50
0 30 60 90 120 150 180
Coef
icie
nte
de
sust
enta
ción
CL
Número de elementos
x103
Elipse envolvente
de perfiles
Estator Outlet
Estator Inlet
Disco RotorCL, teo = 0,3024
NACA0012; Re= 40000; - SST (=0.24; =1.78); 𝛼=15°
28
Refinando el dominio por cada uno de sus sectores, se logró identificar que a partir de 65189
elementos, el error numérico del coeficiente de sustentación era menor al 5% con respecto al
valor del estudio experimental, validando las condiciones del mallado para la resolución
numérica de las ecuaciones rectoras del campo de presión y velocidad de la turbina eólica, según
se evidencia en la Fig. 3.5, obteniéndose valores residuales menores a 1.00E-05 para un tiempo
de simulación promedio de 147387 s (40.94 h).
Figura 3.5. Campo de presión (a la izquierda) y de velocidad (a la derecha) del perfil
aerodinámico NACA0012 para un ángulo de ataque de 15°
De los campos de flujo obtenidos, se revela como los gradientes de presión en las caras de
los perfiles alares desarrollan sus mayores intensidades en el lado del intradós, favoreciendo a la
fuerza de sustentación, responsable del torque aerodinámico de la VAWT.
Por su parte, la Fig. 3.6 señala los campos de presión y velocidad de la turbina para
diferentes posiciones azimutales, de la cual se refleja el cambio instantáneo del ángulo de ataque
en los álabes. De este último gráfico, se comprende la operación de la máquina en régimen
turbulento con desprendimiento de vórtices, condición que afecta de manera adversa su
desempeño. En particular la estela generada por el desprendimiento de la capa límite del perfil
ubicado aguas arriba de la sección media del rotor para ángulos superiores a 15°, distorsiona el
flujo incidente de los álabes localizados aguas abajo, generando un patrón aleatorio en las
corrientes del fluido.
29
Figura 3.6. Campos de flujo sobre el rotor de la VAWT para diferentes posiciones azimutales
Más aún, durante el período de arranque de las simulaciones, el carácter transitorio del
funcionamiento de la turbina incide notablemente sobre la resolución numérica de las ecuaciones
gobernantes del modelo, debido a un flujo no completamente desarrollado alrededor de los
perfiles alares. Mencionado efecto de la estela, llega a producir cambios en los campos de presión
y velocidad del dominio computacional para lo cual los valores de los coeficientes aerodinámicos
y de potencia varían ligeramente por cada vuelta del rotor. De esta manera, buscando predecir un
comportamiento más preciso sobre el flujo alrededor de los perfiles alares a lo largo de una
revolución, en que se atenuase las turbulencias propagadas durante el inicio de la simulación, se
permitió que la VAWT alcanzara una condición pseudo-estacionaria. Así, como se refleja en la
Fig. 3.7, a partir de la tercera vuelta, el fenómeno transitorio se reduce lo suficiente (con un error
menor a 1.00E-04) para considerarse representativo de la operación de la máquina, dada las
limitaciones de memoria computacional y tiempo de ensayo, seleccionándose para el reporte de
los cálculos.
Figura 3.7. Carácter transitorio de la simulación sobre el movimiento rotor-estator de la VAWT
0.00
0.06
0.12
0.18
0.24
0.30
0.36
0.42
0 180 360 540 720 900 1080
Co
efic
ien
te d
e p
ote
nci
a C
p
Posición angular θ [°]
30
Una vez calibrado el modelo bidimensional de CFD de la turbina Darrieus, se ejecutaron las
simulaciones de la VAWT variando su tipo de perfil NACA y número de álabes para las
condiciones de operación estandarizadas como velocidad de rotación de 120 rpm y ángulo de
paso de 0° (Paraschivoiu, 2002; Tong, 2010), a fin de examinar la influencia de ambos
parámetros en los coeficientes aerodinámicos y de potencia del rotor. Identificado la
configuración geométrica óptima, se construyó la curva característica de la máquina para
diferentes velocidades específicas de giro, donde basado en el punto de diseño o de máximo
coeficiente de potencia, se dimensionó el radio de la turbina estimando finalmente su potencia
generada.
CAPÍTULO 4
RESULTADOS Y ANÁLISIS
En la siguiente sección, se presentarán los resultados del trabajo junto a sus correspondientes
discusiones, obtenidos del post-procesamiento de las simulaciones numéricas de la turbina eólica.
4.1. Selección del tipo de perfil
De la Figura 4.1, puede evidenciarse que independientemente del tipo de perfil NACA, la
turbina Darrieus es incapaz de auto-arrancar debido a la insuficiente sustentación, presentando
valores negativos entre 0 y 75° (al inicio de toda revolución), donde sólo un sistema externo
(como un motor de arranque) le puede permitir alcanzar una primera velocidad de operación. Así
mismo, una comparativa entre los perfiles, revela que tanto los NACA0015 como 0018 ofrecen
las mejores características de sustentación, destacándose este último por exhibir mayores
coeficientes de arrastre entre 0-60° y 180-240° (por ser el perfil de mayor espesor).
Figura 4.1. Coeficientes aerodinámicos (sustentación Cl a la izquierda y arrastre Cd a la derecha)
en función de la posición angular θ para diferentes perfiles NACA en un rotor de 2 álabes
-0.40
-0.20
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
0 60 120 180 240 300 360
Coef
icie
nte
de
sust
enta
ción
Cl
Posición angular θ [°]
NACA0012 NACA0015 NACA0018
U=6 m/s; N=120 rpm; - SST (=0.24; =1.78); R=1 m; c = 10 cm.
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
0 60 120 180 240 300 360
Coef
icie
nte
de
arra
stre
Cd
Posición angular θ [°]
NACA0012 NACA0015 NACA0018
U=6 m/s; N=120 rpm; - SST (=0.24; =1.78); R=1 m; c = 10 cm.
32
En términos de la curva de potencia, ofrecida en la Fig. 4.2 y Tabla 4.1, se observa que el
perfil simétrico NACA0018 ostenta la mejor eficiencia (𝐶𝑝̅̅ ̅ = 0.2118) dada su favorable relación
aerodinámica (sustentación/arrastre) a lo largo de una revolución, seleccionándose para el diseño
de la turbina.
Figura 4.2. Coeficientes de potencia Cp en función de la posición angular θ para diferentes
perfiles NACA en un rotor de 2 álabes
4.2. Selección del número de álabes óptimo
Como se refleja en la Fig. 4.3, el incremento del número de álabes uniformiza los
coeficientes aerodinámicos del rotor de la VAWT. Considerando el caso ideal de una turbina de
“infinitos álabes”, se tendría un cilindro sólido cuya sustentación y arrastre serían constantes en
toda revolución para condiciones geométricas, de flujo y velocidad de giro dadas (White, 2008).
A su vez, las curvas aerodinámicas obtenidas demuestran que para un perfil NACA0018 con 4
álabes, aumenta la sustentación entre 0-60°, 120-180° y 240-300°, a diferencia de 3 álabes donde
sólo brinda una mejora entre 60-120 y 180-240°. Por su parte, un estudio del arrastre verifica su
incremento con la adición de álabes (y por lo tanto de un área de incidencia mayor). Sólo el rotor
de tres perfiles alares ofrece un coeficiente de arrastre esencialmente constante, favorable para las
condiciones de diseño de una turbina Darrieus. En el caso de dos álabes, el comportamiento
armónico de la turbina ofrece una mayor amplitud, pero los cambios en la sustentación son muy
pronunciados, llegando alcanzar valores negativos.
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0 60 120 180 240 300 360
Coef
icie
nte
de
pote
nci
a C
p
Posición angular θ [°]
NACA0012 NACA0015 NACA0018
U=6 m/s; N=120 rpm; - SST (=0.24; =1.78); R=1 m; c = 10 cm.
Tabla 4.1. Coeficientes de potencia
promedio para perfiles ensayados
Tipo de perfil 𝑪𝒑̅̅̅̅
NACA0012 0.1811
NACA0015 0.2096
NACA0018 0.2118
33
Figura 4.3. Coeficientes aerodinámicos (sustentación Cl a la izquierda y arrastre Cd a la derecha)
en función de la posición angular θ para diferentes números de álabes en un rotor de perfiles
NACA0018
Al igual como sucede con los coeficientes aerodinámicos, la eficiencia de la turbina se
uniformiza con el aumento del número de álabes, presentado en la Fig. 4.4. Basado en los
coeficientes de potencia obtenidos para los números de álabes ensayados, según se observa en la
Tabla 4.2, se evidencia que con cuatro palas por rotor se obtiene el mayor rendimiento
(𝐶𝑝̅̅ ̅=0.2250). Sin embargo, su incremento es menor al 0.85% en relación con tres álabes
(𝐶𝑝̅̅ ̅=0.2232), no justificando la elevación de costos de fabricación para una poca ganancia. De
este modo, el rotor de tres perfiles alares NACA0018 garantiza la mejor relación costo/beneficio
para la turbina modelada.
Figura 4.4. Coeficientes de potencia Cp en función de la posición angular θ para diferentes
números de álabes en un rotor de perfiles NACA0018
-0.40
-0.20
0.00
0.20
0.40
0.60
0 60 120 180 240 300 360
Coef
icie
nte
de
sust
enta
ción
Cl
Posición angular θ [°]
2 álabes 3 álabes 4 álabes
U=6 m/s; N=120 rpm; - SST (=0.24; =1.78); R=1 m; c = 10 cm.
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
0 60 120 180 240 300 360
Coef
icie
nte
de
arra
stre
Cd
Posición angular θ [°]
2 álabes 3 álabes 4 álabes
U=6 m/s; N=120 rpm; - SST (=0.24; =1.78); R=1 m; c = 10 cm.
Tabla 4.2. Coeficientes de potencia
promedio para número de álabes
ensayados con el perfil NACA0018
Número de álabes 𝑪𝒑̅̅̅̅
2 0.2118
3 0.2232
4 0.2250
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0 60 120 180 240 300 360
Coef
icie
nte
de
pote
nci
a C
p
Posición angular θ [°]
2 álabes 3 álabes 4 álabes
U=6 m/s; N=120 rpm; - SST (=0.24; =1.78); R=1 m; c = 10 cm.
34
4.3. Curva característica
Partiendo de la configuración geométrica óptima, se evalúo el coeficiente de potencia
promedio de la VAWT para velocidades específicas de giro λ comprendidas entre 0 y 6, reflejado
en la Fig. 4.5. De un ajuste polinómico de 2do
grado, se encontró la ecuación de diseño de la
turbina Darrieus, la cual derivada e igualada a cero, como se presenta en la Ec. (4.1), establece
que el punto de operación de máxima eficiencia (𝐶�̅�,𝑚á𝑥=0.38) corresponde a λopt=4.11,
manteniendo una velocidad de operación estandarizada de 120 rpm.
Figura 4.5. Coeficientes de potencia promedio en función de la velocidad específica de giro λ
para 3 perfiles NACA0018 a 120 rpm
𝐶𝑝 = −0.0227λ2 + 0.1868λ (4.1a)
𝑑𝐶𝑝
𝑑λ= −0.0454λ + 0.1868 = 0 → λ𝑜𝑝𝑡 = 4.11 → 𝐶�̅�,𝑚á𝑥 = 0.38 (4.1b)
4.4. Dimensionamiento de la VAWT
Basado en la definición de la velocidad específica de giro y conocido la frecuencia angular
(dada las condiciones de operación de la turbina), se determina que el radio óptimo de la máquina
es de 1.96 metros, según se describe en la Ec. (4.2). Así, la Tabla 4.3 ofrece las características
finales del rotor Darrieus dimensionado.
𝑅𝑜𝑝𝑡 =𝜆𝑜𝑝𝑡𝑈
𝜔= 1.96 𝑚 ∴ 𝑈 = 6
𝑚
𝑠; 𝜔 =
2𝜋
60𝑁 = 12.57
𝑟𝑎𝑑
𝑠; 𝑁 = 120 𝑟𝑝𝑚 (4.2)
Cp = -0.0227λ2 + 0.1868λ
R² = 0.9603
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0 1 2 3 4 5 6
Coef
icie
nte
de
pote
nci
a C
p
Velocidad específica de giro λ
35
Tabla 4.3. Características geométricas y de operación de la VAWT tipo Darrieus diseñada
Parámetros Valor
Velocidad del viento libre U [m/s] 6
Velocidad de rotación N [rpm] 120
Frecuencia angular ω [rad/s] 12.57
Velocidad específica de giro λ 4.11
Radio R [m] 1.96
Cuerda c [cm] 10
Número de álabes n 3
Coeficiente de potencia Cp 0.38
4.5. Curva de potencia generada por la turbina
Para las condiciones de flujo medidas en la Península de Paraguaná, se encuentra que la
potencia eólica disponible está alrededor de 1.04 kW, como se presenta en la Ec. (4.3), en donde
el rotor de la VAWT es capaz de extraer 0.39 kW en su punto de diseño, siendo su área de
barrido equivalente al producto del diámetro de la turbina por la longitud de las palas (último
parámetro limitado a 2 m de acuerdo a la caracterización del perfil de viento en la región).
𝑃𝑑 =1
2𝐴𝜌𝑈3 = 1.04 𝑘𝑊 ∴ 𝐴 = 𝐷ℎ = (2𝑅)ℎ = 7.84 𝑚2; ℎ = 2 𝑚; 𝜌 = 1.225
𝑘𝑔
𝑚3 (4.3a)
𝑃 = 𝐶𝑝𝑃𝑑 = 0.39 𝑘𝑊 (4.3b)
Variando la velocidad del viento incidente en el rotor, se obtiene la curva de potencia
señalada en la Fig. 4.6.
Figura 4.6. Curva de potencia de la turbina diseñada en función de la velocidad del viento
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
4 5 6 7 8 9 10 11 12
Pote
nci
a gen
erad
a [k
W]
Velocidad del viento U [m/s]
36
Un análisis del gráfico anterior, demuestra que a partir de una velocidad del viento de 8.2
m/s, la turbina propuesta es capaz de entregar un 1 kW de potencia útil (sin considerar las
pérdidas por transmisión mecánica y del generador eléctrico). De este modo, considerando
posibles aplicaciones del diseño para las condiciones de flujo bajo estudio, se señala la capacidad
que dos unidades presentan para satisfacer un consumo promedio de alumbrado público,
compuesto por 25 focos de sodio de 70 W cada uno, o la demanda eléctrica de una edificación
rural de la región, del tipo escuela, estimada en 1.785 kW (Hidalgo, 2006). Ambas aplicaciones
revelan la viabilidad que la VAWT puede ofrecer en la generación eléctrica de sistemas de
pequeña potencia.
CAPÍTULO 5
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
En la presente investigación, un modelo 2D de CFD de una turbina eólica de eje vertical tipo
Darrieus fue propuesto, evaluando el desempeño aerodinámico de su rotor frente a las
condiciones ofrecidas por los perfiles de viento de la Península de Paraguaná, donde a partir del
análisis estadístico de una muestra horaria del viento con la correlación de Weibull, se revela una
velocidad media anual de 6.1 m/s (a 10 metros sobre el nivel del suelo) con una desviación
estándar de 2.9 m/s y una probabilidad del 12.9% de ocurrencia, condiciones viables para la
aplicación de sistemas eólicos de pequeña potencia.
Apoyándose en los software libres de Gmsh y OpenFOAM se logró el planteamiento del
dominio computacional rotor-estator con interfaz rotativo y modelo de turbulencia - SST, en el
que la turbina en estudio fue simulada para diferentes geometrías variando el tipo de perfil y el
número de álabes, como los parámetros más influyentes en la eficiencia energética del sistema.
Los resultados obtenidos demuestran que tanto los perfiles NACA0015 como 0018 ofrecen
las mejores características para el diseño. En términos de la potencia, el modelo NACA0018 es
más convenientes por su relación sustentación/arrastre, desempeñando un papel favorable en el
arranque de la turbina debido a su sustentación negativa (para un ángulo de paso de 0°) en el
inicio de su revolución, requiriendo de un agente externo para su accionamiento. Por su parte, a
partir de 3 perfiles por rotor, no se genera un incremento apreciable en el coeficiente de potencia
(menor al 1%), donde para los modelos ensayados de 2 y 4 álabes se evidenciaron cambios
importantes en el arrastre aerodinámico. Estas características identificadas permiten señalar que
la mejor opción para el diseño aerodinámico de una VAWT Darrieus, adecuada a los perfiles de
viento de Paraguaná, debe apuntar hacia un rotor de 3 álabes con perfiles NACA0018, donde se
es posible alcanzar un coeficiente de potencia máximo de 0.38 para sus condiciones de diseño,
correspondiente a una velocidad del viento de 6 m/s y de rotación de 120 rpm.
38
Según la curva de potencia generada, se evidencia que con una velocidad del viento de 8.2
m/s, la VAWT propuesta (de radio 1.96 m y cuerda de 10 cm, con su rotor instalado a 10 metros
sobre el nivel del suelo), es capaz de entregar un 1 kW. De esta manera, con dos unidades se
puede satisfacer el consumo promedio de una escuela rural, estimado en 1.785 kW durante el día,
cubriendo además la necesidad de alumbrado público a través de 25 focos de sodio de 70 W cada
uno en horario nocturno.
Se recomienda considerar estudios que permitan elevar la potencia extraíble del viento,
donde una posible alternativa consista en aumentar el área de barrido de la turbina empleando
palas de longitudes mayores a 2 m, donde ante la pérdida de uniformidad del perfil de viento
incidente, es necesario aplicar modelos tridimensionales que involucren los efectos de borde en
los álabes. Otro aspecto de interés que se puede desarrollar, es la propuesta de arreglos de
turbinas Darrieus que evalúen la posibilidad de implementación de una granja eólica en la región.
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APÉNDICE
A. Mediciones del viento de Paraguaná
Hernández y Duarte (2000) ofrecen un conjunto de 8420 datos, correspondientes al registro
horario de 1999 de las velocidades del viento de la Península de Paraguaná en m/s, cuyas
mediciones se realizaron en la estación meteorológica de Punto Fijo (11°39’ latitud Norte; 70°3’
longitud Oeste; altitud de 22 msnm), con un anemómetro de cazoletas a 10 metros sobre el nivel
del suelo, convirtiéndose en la muestra del potencial eólico de la región, empleada como punto de
partida para el diseño aerodinámico de la turbina de eje vertical.
44
Horas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
1 1.5 0.5 0.4 3.3 4.1 3.4 3.9 3.0 3.5 4.7 0.7 1.3 0.9 1.1 4.0 4.8 3.8 2.2 1.0 0.7 1.3 1.4 0.0 1.1 1.6 0.0 0.7 0.7 3.5 0.7 1.2
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3 1.9 0.0 3.6 3.9 3.3 4.0 4.0 3.5 3.1 4.1 3.0 1.0 1.3 0.8 4.7 3.9 1.0 0.7 1.0 0.7 0.8 0.6 0.0 0.7 1.5 0.0 0.5 2.6 3.1 0.7 1.0
4 1.2 0.0 3.4 4.0 4.3 3.1 3.2 1.5 4.0 3.3 1.2 1.0 1.0 1.2 4.8 3.2 0.9 0.0 0.3 0.8 0.4 0.0 0.0 5.1 0.6 0.0 0.0 4.0 3.1 0.7 1.0
5 0.7 0.6 1.5 3.1 3.1 1.2 3.0 3.0 4.5 2.6 2.0 0.6 0.0 1.0 4.8 3.9 2.9 0.0 0.8 1.6 0.9 0.0 0.0 3.9 3.0 0.0 0.0 3.7 3.0 1.1 3.3
6 0.8 0.0 1.0 2.5 3.2 3.5 3.0 3.9 3.8 3.5 0.7 0.0 0.0 1.1 4.0 4.8 1.5 0.0 0.7 0.7 0.3 0.0 0.0 3.0 2.5 0.0 0.4 3.9 3.1 0.6 1.0
7 0.7 0.0 2.0 3.0 3.6 3.0 3.5 3.8 4.0 3.8 2.0 0.0 0.0 0.7 3.4 4.0 3.0 0.0 0.6 0.8 0.0 0.0 0.0 2.9 2.2 0.0 0.0 3.9 2.4 1.1 3.0
8 0.4 0.0 3.0 3.0 4.0 2.1 3.5 3.6 3.8 2.5 2.4 0.0 0.0 1.2 4.0 3.0 3.0 0.0 0.7 2.1 0.0 0.0 0.0 2.4 0.8 0.0 0.0 4.0 2.4 2.9 3.5
9 1.6 0.0 3.3 4.4 3.9 2.7 4.2 3.8 4.1 2.4 2.0 0.5 1.4 4.0 4.0 4.6 4.1 0.0 0.7 3.0 0.6 0.0 0.0 3.1 2.6 0.0 0.4 4.6 3.4 3.0 4.8
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11 3.8 1.4 4.0 5.7 4.5 3.1 5.1 5.5 4.5 4.1 4.1 1.6 2.7 4.7 5.1 4.1 4.8 3.0 3.5 2.8 3.0 0.6 1.0 4.0 4.1 2.3 2.8 5.9 4.8 3.9 3.9
12 2.9 0.7 4.6 4.9 4.8 3.9 4.5 4.6 4.2 5.0 4.1 0.7 3.9 4.1 5.0 3.9 4.7 1.3 4.5 3.6 3.2 1.1 2.5 4.0 2.2 0.6 3.9 4.5 4.1 4.0 4.8
13 5.0 3.0 4.8 4.8 4.9 5.0 4.5 5.0 5.1 5.1 4.0 4.1 5.5 4.0 4.7 5.8 4.0 5.9 5.8 1.6 6.0 1.6 2.9 4.0 1.0 4.6 4.3 4.4 4.7 6.7 3.9
14 5.5 4.0 6.1 4.9 4.5 4.6 4.4 4.1 5.0 8.8 5.9 5.7 6.5 6.0 4.9 4.5 7.0 6.4 8.3 4.9 6.5 2.5 4.1 3.9 2.8 5.9 5.9 6.7 6.9 7.9 4.9
15 6.0 4.0 4.8 5.8 7.8 4.2 4.5 5.0 4.0 7.7 7.6 7.4 7.0 7.5 4.1 7.0 6.9 6.9 7.5 2.7 4.5 2.7 3.5 6.8 3.0 7.0 7.4 8.8 7.0 8.6 7.9
16 6.8 5.0 4.9 7.3 8.5 4.7 4.3 4.0 5.0 7.1 8.4 7.3 6.8 7.0 6.1 7.0 6.8 6.8 7.8 3.9 0.3 1.9 4.0 3.5 4.1 8.6 7.8 7.0 8.0 8.3 7.6
17 5.0 5.9 4.9 7.9 8.4 3.9 5.9 4.7 5.9 8.0 7.0 6.7 5.5 5.5 7.9 7.0 6.0 6.1 5.7 2.6 2.4 2.1 3.8 4.9 4.3 7.3 7.9 7.7 7.8 4.4 7.4
18 4.8 4.0 4.8 5.5 7.1 5.7 5.9 4.9 5.1 6.9 6.0 5.2 4.6 5.0 5.6 5.9 4.8 4.8 5.9 3.5 0.7 2.4 3.1 4.8 4.9 6.8 5.3 6.2 6.7 4.6 6.0
19 4.0 2.6 3.8 4.5 5.5 3.2 4.5 5.2 4.8 4.7 5.0 4.2 3.5 4.5 5.7 4.0 4.0 4.0 4.0 3.9 2.9 1.3 2.9 3.0 3.9 5.0 4.6 4.8 5.8 3.7 4.4
20 0.7 1.6 3.9 4.3 4.2 3.6 4.1 4.5 4.0 4.1 4.7 2.1 3.0 3.8 5.8 3.9 4.8 3.0 3.2 3.0 0.8 0.7 2.5 2.6 3.0 4.0 4.0 4.9 4.0 4.3 5.0
21 0.6 0.0 3.5 2.6 3.5 2.9 5.9 3.0 4.7 3.4 4.0 2.8 3.1 3.2 4.2 4.5 3.1 1.3 4.1 3.1 0.0 0.7 1.1 3.0 1.6 3.0 4.3 4.7 2.9 4.1 3.9
22 0.7 0.0 2.9 4.4 4.1 2.8 4.7 4.4 4.9 2.5 3.0 1.9 2.9 3.9 4.0 2.6 2.6 0.7 2.6 2.6 0.7 0.5 0.7 3.1 0.8 1.0 3.2 3.1 2.7 1.3 4.5
23 0.0 0.5 3.2 3.1 4.1 3.0 3.0 4.2 4.0 2.1 1.0 1.3 2.9 3.0 4.5 2.6 2.1 0.5 2.2 2.8 1.0 0.5 0.6 2.1 0.8 0.7 1.4 2.9 3.0 1.2 4.0
24 0.0 0.6 2.9 3.0 3.9 2.6 2.9 3.8 5.0 1.3 2.5 0.7 1.0 3.9 4.5 3.0 2.4 0.7 1.0 2.8 0.8 0.7 1.6 3.1 0.0 0.6 1.6 3.9 2.2 0.8 5.0
Horas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
1 6.7 3.3 5.0 2.0 2.0 5.8 5.8 6.7 8.3 10.0 10.0 6.7 10.0 6.7 6.7 4.2 7.5 4.2 5.0 6.7 3.3 5.8 5.8 5.8 5.0 4.2 5.0 2.5
2 3.3 2.5 5.8 5.0 5.3 3.3 5.0 6.7 8.3 6.7 8.3 5.0 6.7 7.5 5.8 4.2 4.2 2.5 5.0 5.8 5.0 5.8 3.3 5.0 2.5 5.0 3.3 3.3
3 3.7 3.3 4.2 6.7 4.2 3.3 4.2 6.7 10.0 8.3 8.3 8.3 6.7 7.5 6.7 3.3 4.2 4.2 3.3 5.8 5.8 3.3 4.2 5.0 4.2 3.3 1.7 2.5
4 3.3 4.2 4.2 5.0 2.0 5.0 4.2 5.8 8.3 6.7 8.3 6.7 5.8 5.0 4.2 2.5 3.3 3.3 5.0 3.3 5.8 3.3 5.0 5.0 3.3 4.2 2.5 2.5
5 3.7 5.0 5.0 5.0 3.3 5.0 4.2 5.8 10.0 6.7 8.3 7.5 6.7 6.7 5.0 3.3 3.3 5.8 4.2 5.0 6.7 3.7 3.3 6.7 3.3 2.0 3.0 2.0
6 3.3 4.2 7.5 4.2 2.5 5.0 4.2 6.7 8.3 7.5 6.7 5.8 6.7 10.0 4.2 3.3 5.0 4.5 3.3 5.0 6.7 5.0 5.0 5.0 4.2 4.2 1.2 3.3
7 2.3 5.0 8.3 5.0 2.5 5.0 4.2 5.0 8.3 6.7 6.7 6.7 7.5 5.0 4.2 2.5 4.2 5.0 3.3 3.3 5.8 4.2 3.3 5.0 4.2 1.7 2.0 3.0
8 8.3 5.0 4.7 6.7 3.3 4.2 4.2 5.0 8.3 8.3 8.3 3.3 8.3 6.7 2.5 3.3 3.3 3.3 3.3 5.8 5.0 5.0 3.3 3.3 5.0 2.8 3.3 8.3
9 8.3 5.0 6.7 5.0 5.0 6.7 5.0 6.7 8.3 12.0 10.0 8.3 8.3 6.7 4.2 5.0 6.7 5.0 5.0 6.7 6.7 7.5 6.7 6.7 5.0 5.0 4.2 5.8
10 8.3 8.3 12.0 8.3 10.0 6.7 8.3 8.3 10.0 13.0 8.3 8.3 10.0 8.3 5.0 5.8 6.7 5.8 6.7 6.7 7.5 7.5 6.7 8.3 5.0 3.3 6.7 10.0
11 8.3 10.0 12.0 10.0 6.7 6.7 6.7 10.0 13.0 13.0 12.0 10.0 12.0 10.0 6.7 6.7 6.7 7.5 6.7 10.0 10.0 5.8 7.5 7.5 6.7 8.0 6.7 8.3
12 10.0 8.3 10.0 13.0 8.3 6.7 10.0 12.0 12.0 12.0 8.3 10.0 12.0 8.3 6.7 5.2 5.0 6.7 6.7 7.5 6.7 6.7 6.7 8.3 7.5 8.3 6.7 10.0
13 8.3 6.7 10.0 13.0 8.3 6.7 8.3 10.0 10.0 12.0 10.0 12.0 13.0 8.3 6.7 6.7 7.5 6.7 8.3 5.0 6.7 5.0 6.7 8.3 5.8 5.0 6.7 9.2
14 6.7 8.3 10.0 10.0 8.3 7.5 9.2 10.0 12.0 12.0 10.0 10.0 8.3 9.2 7.5 5.8 8.3 6.7 5.8 7.5 7.5 4.2 8.3 8.3 6.7 6.7 6.7 9.2
15 6.7 8.3 9.2 10.0 10.0 8.3 1.0 12.0 9.2 12.0 9.2 12.0 10.0 8.3 9.2 7.5 6.7 9.2 6.7 6.7 5.8 4.7 6.7 10.0 5.8 6.7 5.8 12.0
16 6.7 8.3 12.0 10.0 10.0 8.3 11.0 12.0 12.0 12.0 10.0 10.0 10.0 6.7 8.3 6.7 7.5 8.3 6.7 6.7 8.3 5.0 8.3 6.7 8.3 8.0 5.8 12.0
17 8.3 6.7 10.0 8.3 8.3 10.0 9.2 12.0 8.3 11.0 10.0 10.0 12.0 10.0 5.8 7.5 6.7 7.5 6.7 7.5 8.3 5.8 7.5 8.3 8.3 6.7 6.7 11.0
18 5.0 8.3 10.0 8.3 8.3 8.3 9.2 10.0 12.0 13.0 10.0 11.0 10.0 8.3 8.3 8.3 8.3 10.0 8.3 10.0 8.3 5.0 10.0 8.3 8.3 8.3 5.8 10.0
19 5.0 8.3 6.7 8.3 6.7 7.5 8.3 8.3 13.0 12.0 11.0 12.0 10.0 10.0 5.8 9.2 5.0 7.5 8.3 9.2 7.5 5.0 6.7 6.7 8.3 6.7 6.3 8.3
20 5.0 7.5 6.7 7.5 8.3 8.3 8.3 8.3 10.0 12.0 10.0 8.3 6.7 6.7 5.8 5.0 5.0 8.3 6.7 6.7 6.7 5.0 6.7 7.5 7.5 8.3 6.2 10.0
21 3.3 5.0 8.3 8.3 6.7 8.3 8.3 12.0 8.3 8.3 12.0 10.0 3.2 8.3 5.8 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.8 5.8 7.5 5.0 5.0 6.7 5.8 8.3
22 6.7 5.8 6.7 6.7 7.5 8.3 6.7 8.3 9.2 10.0 8.3 8.3 8.5 6.7 4.2 5.0 3.3 6.7 5.8 6.7 5.0 5.8 5.0 6.7 5.0 5.8 4.2 8.3
23 5.0 6.7 6.7 5.0 5.8 5.0 6.7 9.2 10.0 10.0 6.7 8.3 8.3 6.7 5.0 6.7 3.3 7.5 7.5 8.3 5.8 4.2 5.0 5.0 4.2 5.8 5.0 10.0
24 5.0 6.7 6.7 5.0 6.7 5.0 6.7 12.0 9.2 6.7 8.3 8.3 8.3 5.0 4.2 6.7 4.2 8.3 6.7 3.3 7.5 4.2 4.2 6.7 4.2 4.2 4.2 7.5
ENERO
Días
FEBRERO
Días
45
Horas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
1 7.5 6.7 8.3 6.7 5.8 9.2 6.7 6.7 5.0 5.0 6.7 6.7 8.3 6.7 10.0 8.3 3.3 8.3 8.3 7.5 5.8 5.0 5.0 5.0 4.2 3.3 5.0 5.0 5.0 6.7 6.7
2 6.0 8.3 8.3 7.5 6.7 7.5 6.7 6.7 3.3 5.2 5.0 8.0 6.7 5.0 8.3 10.0 3.3 8.3 3.3 6.7 6.7 4.8 5.8 4.3 2.5 4.2 3.0 3.3 8.3 6.7 5.8
3 6.7 5.0 6.7 6.7 5.8 5.8 8.3 4.2 2.2 5.8 5.8 10.0 6.7 6.7 5.2 9.2 3.3 8.3 7.5 4.8 7.5 4.2 4.2 3.3 3.3 3.3 4.2 5.0 6.7 8.3 8.3
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ABRIL
MARZO
Días
Días
46
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MAYO
Días
JUNIO
Días
47
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JULIO
Días
AGOSTO
Días
48
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OCTUBRE
SEPTIEMBRE
Días
Días
49
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NOVIEMBRE
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DICIEMBRE
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