Simulación de un generador eólico aplicado al proyecto de construcción de la Universidad de Cundinamarca en Chía

I. INTRODUCCION

Los recientes cambios ambientales que han venido surgiendo en el último siglo y el desaprovechamiento de las energías alternativas que nos ofrece el planeta nos hace replantear la forma de diseño y construcción de los nuevos objetos arquitectónicos de nuestra sociedad.

Las menospreciadas energías alternativas, como la eólica presenta grandes ventajas ya que  proviene de recursos que están relacionados con los ciclos naturales del planeta, lo cual hace posible que se disponga del recurso de manera permanente; no emiten residuos contaminantes ni emisiones de CO2, que están continuamente provocando  cambios climáticos y un deterioro en la atmosfera.

Por otra parte vemos como el diseño arquitectónico de nuestras ciudades no fue visionado para aprovechar y explotar estas fuentes energéticas y mantener en pie los recursos no renovables que en los últimos años están mostrando signos de no retorno.

Este proyecto está enfocado a la simulación de un generador eólico y su aplicación en la construcción de la nueva sede universitaria en chía, con esto, se pretende crear conciencia acerca de las problemáticas del medio ambiente , de igual modo difundir el uso de energías  alternativas como la eólica  la cual puede generar una parte de la electricidad que se consume habitualmente y por consiguiente ayudaría a disminuir las emisiones de CO2 y los costos de las facturas de electricidad en nuestros hogares o ser utilizada como bomba de agua para tratamiento de aguas grises que  pueden ser reutilizadas para riego en zonas verdes o elementos como cisternas.

Básicamente se modelo la edificación de la universidad de Cundinamarca en el software 3D de Google Sketchup y el generador eólico aplicado a este contexto variando en su utilización (generador de electricidad o motobomba); Para darle más realismo se utilizo un plugin de render llamado Vray donde se visualizara un modelo de  ambiente sustentable . Por otra parte se diseño y simulo en un ambiente controlado el aire sobre la hélice con un software CFD (computational Fluid Dinamic) llamado Star-CCM+, donde se analizo la variable velocidad, presión y helicidad para comprobar el perfil aerodinámico de la aspas.

II. DESARROLLO

Prácticamente este desarrollo se dividió en tres etapas, donde se complementaban para sacar un solo trabajo. En primer lugar se tuvo que analizar varios parámetros que influyen en  el diseño del generador eólico, como la velocidad, terreno, ubicación geográfica. A continuación se comenzó a crear el modelo tridimensional de la nueva edificación la cual fue diseñada por los arquitectos de la firma  Billy Goebertus, para este proceso se utilizaron las herramientas básicas de edición de objetos 3d.

En la segunda fase se diseño la hélice en el software CFD Star-Ccm+ y en Google Sketchup,  además un tanque filtrador para el manejo de aguas residuales y se les dio un componente de realidad con un plugin llamado SketchyPhysics el cual genera efectos físico-mecánicos para aplicarlos a los objetos en la interface.

En cuanto al diseño de la hélice se opto por un modelo de eje vertical, que se adapta mejor a las condiciones de viento bajo, igualmente la forma deriva de de los tipos de generador eólico Savonius y Darrieus.

El generador de tipo Savonius, es simple y no requiere un par alto de arranque, además su funcionamiento es obtenido por la resistencia al aire que opone las hélices, en cambio el modelo darrieus aprovecha la sustentación para su funcionamiento y las fuerzas contrarias de velocidad y presión frente a un ángulo de ataque de un perfil alar determinado.

Al fusionar los dos modelos se obtiene una hélice aerodinámica y  sensible a cualquier dirección del viento debido a que cada parte esta rotada a un ángulo determinado, su forma facilita la captación de aire y permite absorber  mas este elemento ya que en chía no siempre hay una gran fluidez de aire.

El diseño de la hélice se realizo en el programa Star Design 4.04 de la suite de simulación computacional de fluidos Adapco  y Google Sketchup 7 tanto para la simulación como para el modelado 3d respectivamente; Su estructura modular hace de esta hélice fácil de instalar y desmontar, y su forma natural de espiral influye en cuanto al aspecto visual estético con el proyecto, permitiendo una integración hacia el edificio, evitando que este elemento se convierta en un objeto puesto sin conexión que se convierte en algo desagradable con el lenguaje arquitectónico del edificio.

Continuando con el proceso de diseño del generador eólico se procede a modelar el generador encargado de transformar la energía cinética del aire a energía eléctrica o por el contrario mantenerla en energía mecánica para otros usos.

El principio del generador que se modelo es el mismo principio de electromagnetismo inducido, la variante al sistema normal va a ser el sistema de fricción y  de levitación para mejorar el rendimiento del generador.

Ya terminado el modelado del generador eólico se procede a modelar el sistema para tratamiento de aguas residuales el cual estará compuesto por una motobomba y un tanque con diferentes capas de materiales para filtrar las aguas grises.

Como se trata de una motobomba el generador eléctrico es omitido, en cambio de la bomba de agua y se accionara por medio del movimiento de la hélice utilizando el mecanismo de bomba al vacio.

 Las aguas residuales provienen de muchos lugares como lo son los lavamanos, lavaplatos, orinales, inodoros que por lo general van a parar a los alcantarillados, podemos clasificar estas aguas en negras que son las que proviene  de inodoros y orinales y las aguas grises que son las que provienen de lavamanos, lavaplatos, piletas, duchas, etc. Haciendo un tratamiento adecuado podemos reutilizar estas aguas para riego de plantas y reciclada en el uso de inodoros para que se disminuya en parte el mal uso que se hace sobre las mismas.

Para que las aguas grises sean reutilizadas en el medio ambiente primero tiene que recibir un tratamiento, pues estas aguas contienen varios contaminantes como son: metales pesados, compuestos orgánicos, basura animal, incluyendo partículas del suelo, aceites y grasa. En este proyecto se modelo la opción de los procesos de tratamientos para  aguas grises y lluvias con un tanque de sedimentación con separadores de vórtice como se muestra a continuación:

*Filtro por medio de plantas acuáticas
*Filtro de arenas
*Filtro con carbón activado

En lo que se refiere a la ubicación de los equipamientos eólicos y el mecanismo de tratamiento de aguas grises, se decidió colocarlos en lugares específicos para aprovechar al máximo las fuentes energéticas.

En primer lugar los generadores eólicos se colocaron en lo alto de la edificación con el fin de capturar la mayor velocidad del viento, evitando la disminución del mismo por las condiciones del terreno aplicando la ley del exponente de rugosidad, de igual forma se colocaron 2 generadores en los paraderos de bus, estos consumirán las corrientes de viento que generan los automóviles que pasan a gran velocidad.

Por otro lado el tanque filtrador de aguas grises y lluvias se ubico cerca a la mayor fuente de estas aguas, los baños. Estas aguas serán destinadas al riego de cultivos y cubiertas ajardinadas que pudieran necesitar de este recurso.

Para generar más realismo en las escenas se utilizo la demo de un plugin de renderizado para  Google Sketchup llamado V-Ray 1.48.89, este complemento maneja su propia interfaz de materiales y opciones de render, además tiene la opción de trabajar con computación distribuida.

En la actualidad en muchos campos es imposible recurrir a soluciones analíticas debido a la tremenda complejidad de los sistemas que estudia la dinámica de fluidos, por lo que se recurre a soluciones numéricas que pueden ser computadas por ordenadores. Surge así una rama de la dinámica de fluidos denominada dinámica de fluidos computacional, o CFD, que se basa en aproximaciones numéricas de las ecuaciones físicas empleadas en la dinámica de fluidos [1].

La última etapa se manejo a través del software CFD Star CCM+ 4.04 de la firma ADAPCO, Star-CCM+ ofrece un proceso de ingeniería de simulación completa en un entorno de software integrado. Esta suite  única ofrece una incomparable facilidad de uso y la automatización para la preparación de CAD, mallado, ajustes de modelos y un iterativo diseño de estudios, permitiendo a sus ingenieros obtener mejores resultados, más rápidos.

Para empezar, previamente se debió tener el modelo que se deseaba simular, igualmente las condiciones físicas en las que se encontraba el ambiente, para finalmente lograr un resultado más fiable. Para esto en el programa StarDesign se creó un túnel de viento alrededor de la hélice para crear el fluido que interactuara con el modelo, luego se exporto este diseño a la suite de simulación.

Esencialmente el proceso de simulación en este programa comenzó con la tipificación dé cada objeto dentro de la región, es decir, asignar a cada elemento o boundarie sus respectivas cualidades físicas y su relación con los demás elementos.

Luego se procedió a seleccionar el tipo de mallado que cubriría todos los elementos, en esta simulación se decidió por optar las opciones de Surface remesher (mallado de superficie), Polyhedral mesher (mallado volumétrico por poliedros) y Prism layer mesher.

despues de seleccionar el modelo de mallado fue necesario darle los parámetros globales o locales para cada objeto, en este caso los parámetros globales se dejan por default, y se centro en la hélice, la zona más importante para darle más resolución de respuesta. Ya establecidos los valores se procedió a calcular el mallado de superficie y el mallado volumétrico, cada  proceso deriva de la calidad de la configuración del mallado, en este caso para el surface mesh demoro 5 minutos aprox y el volumen mesh 45 minutos aprox.

Algo muy interesante que se puede destacar del tipo de mallado con poliedros que usa este programa [2] se debe a una técnica llamada biomimesis, la técnica de adaptar conceptos y estructuras de la naturaleza a la tecnología.

 La naturaleza tiene a su favor millones de años de evolución y a logrado sacar los mejores modelos a partir de un iterativa prueba – error, como lo podemos ver en la estructura de malla hexagonal de los panales de abejas o en otras fuentes naturales que es adaptada al mallado volumétrico para tener un mejor resultado de análisis.

Ya terminado el mallado, se puede realizar un análisis sobre el modelo, en esta simulación se analizo la sustentación (velocidad y presión) y la helicidad sobre el modelo de la aspas.

Para comenzar se debió seleccionar el modelo físico en el cual se determinaran las condiciones a las que el modelo estará a prueba, en esta simulación se selecciono como variables principales.

Motion: stationary
Time: steady
Material: gas
Flow: segregated flow
Ecuation state: constant density
Viscous regime: turbulent
Reynold average turbulence: K-epsilon turbulence

Luego se seleccionan los parámetros iniciales de la simulación física como la velocidad (5 m/s), presión y densidad, para luego crear las diferentes escenas que mostraran el análisis.

Ya editados todos los valores se procede a iniciar la solución, y correrla. Este paso puede tomar varias horas, básicamente para simular 10 segundos en este modelo se necesitan 6 horas aproximadamente.

Los resultados de la simulación fueron exportados como imagen PNG para no perder su calidad, se generaron aproximadamente 400 cuadros (frames) que luego son unificados en el software libre Virtualdub 1.9.9 para ser convertidos a formato de video AVI con compresión Divx.

III. CONCLUSIONES

Al desarrollar completamente la simulación del modelo de hélice y sus variantes de velocidad, presión y helicidad se procedió a realizar un análisis partiendo de los diferentes principios aerodinámicos aplicados a la energía eólica.

Se puede concluir que el modelo cuenta con buena sustentación observando los efectos de Ventury y Bernoulli sobre el modelo, ya que se produce una disminución de la presión del fluido, que en este caso es el aire en movimiento cuando aumenta su velocidad. El teorema de Bernoulli afirma que la energía total de un sistema de fluidos con flujo uniforme permanece constante a lo largo de la trayectoria de flujo. Puede demostrarse que, como consecuencia de ello, el aumento de velocidad del fluido debe verse compensado por una disminución de su presión. Igualmente se observo el efecto Venturi en los extremos de las hélices donde las partículas del aire que pasan a través de un estrechamiento aumentan su velocidad, con lo cual disminuye su presión.

Pero más allá de los análisis numéricos y la viabilidad técnica, es muy significativo resaltar la importancia de desarrollar ideas enfocadas al modelo sostenible, proyectos pionero como este dejan una concepto guía para que nuevas mentes sigan creando formas de ayudar al ambiente y generar energías limpias por medio de recursos renovables como el aire, el sol, el agua entre otros; creando una retribución de  estos recursos para mejorar la calidad de vida de sus habitantes de esta forma brindar un mejor futuro hacia las nuevas generaciones. 

Por otra parte en el desarrollo de este trabajo de investigación que ha dado lugar al presente proyecto se han alcanzado los objetivos inicialmente planteados en cuanto a:

• Desarrollar una simulación de un ambiente sustentable mediante un software 3d, integrando elementos al objeto arquitectónico que ayuden a la sustentabilidad del mismo
• Analizar los datos obtenidos mediante la simulación para verificar el funcionamiento del generador eólico
• Formular bases investigativas para las futuras intervenciones en el problema ambiental, relacionando investigaciones y experiencias previas para desarrollar óptimamente la simulación
• modelar un generador eólico de acuerdo a las características geográficas y climáticas de Colombia.

IV. REFERENCIAS

[1]    Dinámica de Fluidos Computacional para Gráficos, Álvaro Pérez Molero, Carlos Garre del Olmo
[2] Polyhedra: Nature’s answer to meshing. [Online].
Available: http://www.cd-adapco.com/press_room/dynamics/25/polyhedra.html
[3] Métodos de integración numérica. [Online].
Available: http://www.pacop.net/analisis-de-circuitos-con-ayuda-de-ordenador/metodos-de- integracion.html?showall=1

Por: Ronald Duvan Salamanca
Universidad de Cundinamarca Chía – Colombia

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