Dinámica aeroelástica no lineal de aerogeneradores de material compuesto

Abstract

La energía eólica es un recurso abundante, renovable, gratuito, y saludable para el medio ambiente; por esto quizás sea la fuente que sustente la mayor parte de las necesidades energéticas de la humanidad en el futuro. La capacidad eólica instalada en el mundo crece exponencialmente; tal es así que en algunos países el nivel de penetración de la energía eólica llega al 20%. El aerogenerador de eje horizontal es la máquina que genera la mayor parte de la energía eólica mundial. Dos sistemas fundamentales lo constituyen, el sistema eléctrico y el sistema mecánico. El sistema mecánico está formado básicamente por dos subsistemas: un sub-sistema de elementos aeroestructurales que permite convertir la energía eólica en energía cinética rotacional y un sub-sistema de transmisiones que permite ceder controladamente la energía del movimiento rotacional al generador eléctrico. El sostenimiento de la tasa de crecimiento en la producción energética ha sido logrado gracias a la constante evolución en el diseño de los aerogeneradores. Tal evolución ha requerido, y requerirá, el desarrollo de herramientas, métodos y tecnologías adaptables a los cambios conceptuales de diseño y a los nuevos escenarios en los cuales la máquina debe operar. En este marco, el presente trabajo pretende colaborar al desarrollo de herramientas computacionales que permitan simular el comportamiento del subsistema de elementos aeroestructurales de un aerogenerador de eje horizontal de grandes dimensiones. Para esto, asumiendo que el sub-sistema aeroestructural del aerogenerador está formado por la torre y el rotor, se desarrolla una formulación aeroelástica capaz de simular con exactitud geométrica el comportamiento de gran deformación al que se supone estarán sometidos los aerogeneradores modernos actuales y los del futuro. Tal desarrollo se basa en: la formulación de una teoría geométricamente exacta de vigas de material anisótropo, el desarrollo de un algoritmo que permita representar al mecanismo que une a los elementos del sub-sistema aeroestructural y el desarrollo de un algoritmo para determinar las cargas aerodinámicas que sea consistente con las hipótesis de la formulación estructural. La implementación computacional de los desarrollos mencionados se apoya en la utilización del método de elementos finitos y de la teoría de cantidad de movimiento del elemento de pala.

Wind power is a plentiful, renewable, free and environmentally healthy resource; thus, it may be the source that sustains most of the energy needs of the human kind in the future. The wind energy installed capacity of the world grows exponentially; the growth is such that in some countries the penetration level of the wind energy has reached the 20%. The horizontal axis wind turbine is the machine that generates most of the world wind energy. It is formed by two fundamental systems, the electric system and the mechanical system. The mechanical system is basically formed by two sub-systems; i) the sub-system of aero-structural elements, which converts the wind energy into rotational kinetic energy, and ii) the drive train sub-system, which controls the energy transference to the electric generator. The wind energy production growth rate has been sustained during the last 20 years thanks to the constant evolution in the design of the wind turbines. This evolution has required, and will require in the future, the development of tools, methods and technologies that can be adaptable to the design conceptual changes and the new scenarios in which the machine must operate. In this context, the present work intends to collaborate to the development of computational tools to simulate the behavior of the sub-system of aero-structural elements of large horizontal axis wind turbines. Assuming that this sub-system is formed by the tower and the rotor, it is developed an aeroelastic formulation capable of simulating with geometrical exactness the large deformation states to which modern wind turbines will be subjected. This development is based on: the formulation of a geometrically exact theory of anisotropic beams, the development of the motion equations for the mechanism that links the elements of the aero-structural sub-system and the formulation of the expressions to evaluate the aerodynamic loading, consistently with the geometric hypothesis of the structural theory. The computational implementation of the mentioned developments is based on the utilization of the finite element method and the blade element momentum method.