Optimización de una celda eólica para mejorar el efecto de aumento de la velocidad del viento a través del metamodelo de pronóstico óptimo

Abstract

Actualmente, la mayor parte de la capacidad instalada de energía eólica en el mundo se encuentra en parques eólicos y la razón detrás de esto está relacionada con el hecho de que las turbinas eólicas de eje horizontal convencionales son altamente eficientes solo a gran escala, lo que plantea un problema de concentración para el progreso de la transición energética y la generación distribuida de energía eólica. Para abordar ese problema, el presente trabajo explora la utilización de una nueva turbina eólica modular aumentada, basada en Celdas Eólicas, para incrementar la velocidad del viento con el fin de cosechar más energía del mismo recurso eólico como medio para descentralizar la generación de energía eólica en una gama más amplia de sitios eólicos adecuados para la generación distribuida. El efecto de aumento de la velocidad del viento de las Celdas Eólicas fue simulado numéricamente mediante el uso de dinámica de fluidos computacional y optimizado a través de un metamodelo de pronóstico óptimo, cuyas geometrías fueron parametrizadas usando Curvas de Bézier y calibradas contra experimentos de campo. Los resultados confirman la capacidad de este nuevo dispositivo para aumentar sustancialmente la velocidad del viento y potencialmente lograr altos niveles de eficiencia a una escala de generación distribuida. El presente trabajo muestra los primeros resultados de un objetivo específico correspondiente a un proyecto de investigación más completo de las Celdas Eólicas como un sistema alternativo para generación distribuida. El proyecto de investigación completo involucra estudios sobre curvas de aumento de potencia, superficies de pronóstico multivariable, diseño de espaciado óptimo, diseño de turbina eólica con soporte periférico, curvas de potencia, pruebas experimentales de prototipos en túneles de viento y en campo.

Currently, most of the world's installed wind energy capacity is located in wind farms, and the reason behind this is related to the fact that conventional horizontal-axis wind turbines are highly efficient only at large scales, thus posing a concentration problem for the progress of the energy transition and wind distributed generation. To address this problem, the present paper explores the use of a novel modular augmented wind turbine, based on Eolic Cells, to increase wind speed in order to harvest more power from the same wind resource as a means to decentralize wind energy generation around a wider range of wind sites suitable for distributed generation. The wind velocity augmentation effect of the Eolic Cell was simulated numerically using computational fluid dynamics and optimized through a metamodel of optimal prognosis, which geometries were parameterized using Bezier Curves and calibrated against field experiments. Results confirm the ability of this new device to substantially increase wind velocity and potentially achieve high levels of efficiency at a distributed-generation scale. The present work is the first release of a broader and more comprehensive research project on Eolic Cells as an alternative wind energy system for distributed generation. This paper presents the first results of a specific objective corresponding to a more comprehensive research project on Wind Cells as an alternative system for distributed generation. The complete research project involves studies on power increase curves, multivariable forecast surfaces, optimal spacing design, peripherally supported wind turbine design, power curves, experimental testing of prototypes in wind tunnels and field.