proyecto electropart 191136-14102008 ita

7/31/2019 Proyecto Electropart 191136-14102008 Ita

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Proyecto Forum de Torino_Version_01.doc - 27/06/2008

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Proyecto Forum de Torino

1. Introducción

Cada año, los registros de consumo de energía continúan creciendo y las compañías deelectricidad deben satisfacer esas demandas. Se espera un aumento, a escala mundial, en el

consumo de energía de 60% para el año 2020 (Departamento de Energía de los Estados Unidos,2002.) Esto significa que más combustibles fósiles van a ser consumidos. Los combustiblesfósiles como el carbón y el gas natural son recursos no renovables, lo cual significa que nopueden ser reemplazados. Al menos no en periodos de tiempos acordes con los tiempos de lavida de un ser humano. Además, ellos emiten contaminantes como el dióxido de carbono (unode los generadores del efecto invernadero, causante del cambio climático global), carbohidratosy óxidos de nitrógeno, los cuales son causa de la rotura de la capa de ozono. Las plantasgeneradoras de energía son responsables del 72% de las emisiones de SO2, y del 33% de lasemisiones de NO2 [1].

Energías renovables, como la solar, la eólica, la geotérmica, la hidroeléctrica y las provenientesde los recursos energéticos de las biomasas, por el contrario, puede renovarse en tiemposrazonables y por lo tanto son una muy buena alternativa a los combustibles fósiles y a todo otro

tipo de energía no renovable. Las fuentes de energías renovables son, además, más limpias ytienen en consecuencia un menor impacto ambiental. De todo lo expuesto anteriormente resulta claro que es necesario un cambio hacia el uso de energías renovables .

Todas las fuentes de energía renovables (excepto la mareomotriz y la geotérmica), e incluso laenergía de los combustibles fósiles, provienen, en último término, del sol. El sol irradia

1,74×1017 W de energía por hora hacia la Tierra. Alrededor de un 1% a un 2% de la energíaproveniente del sol es convertida en energía eólica. Esto supone una energía alrededor de 50 a100 veces superior a la convertida en biomasa por todas las plantas de la tierra. Esto convierte alviento en uno de los más prometedores recursos de energía renovable. La energía del vientoreduce la emisión de contaminantes a la atmósfera ya que no produce emisiones en sí misma.Además, alarga el tiempo de duración de los combustibles fósiles ya que su uso significadirectamente el no-uso de aquellos.

La industria de grandes aerogeneradores (mayores a 100 KW de potencia) es la más dinámicaentre las industrias productoras de grandes equipos para la generación eléctrica y entre elconjunto de ramas industriales emergentes sólo es superada por la telefonía móvil. Las razonesde ello se encuentran en que se basa en la aplicación y estudio de tecnologías y conocimientosya maduros o tradicionales –electromecánica, aerodinámica, dinámica estructural, materialesplásticos compuestos, electrónica de control y de potencia, etc.- que le permiten a esta industriatener un sendero de desarrollo con menor costo y riesgo entre aquellas sustitutas inmediatas delas centrales térmicas de combustibles fósiles (energía solar y nucleoeléctrica, principalmente)[2] . Según estimaciones del Centro Regional de Energía Eólica de Chubut, la región Patagónicaconstituye uno de los territorios con mayores “recursos eólicos potenciales” del mundo. Segúnestas estimaciones el potencial de energía eléctrica a producir a partir de los recursos eólicos seencontraría en alrededor de 500 mil MW.

Sin embargo, en nuestro país, la instalación de grandes aerogeneradores se presentó como unesquema rentable en un conjunto de productores locales aislados de la región patagónica y delsur de la provincia de Buenos Aires y La Pampa. Así, la última incorporación de un granaerogenerador en nuestro país fue la instalación de la segunda turbina de 900 Kw. en la plantade la Cooperativa de Servicios Públicos de General Acha, provincia de La Pampa en el año 2003[2].

Hasta el presente la Argentina se ha presentado como consumidora productiva de la industria deaerogeneradores mundial y sólo existen antecedentes “marginales” en el uso de la energía




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eólica. Sin embargo, el enorme potencial de los recursos eólicos en la región patagónica,sumado a la capacitación relativa de su mano de obra en tecnologías que en gran parte domina,y a nuevas legislaciones [4] permiten la emergencia de proyectos con mayor o menor grado demaduración para la fabricación de grandes aerogeneradores en el país (Ver Figure 1 ).

Figure 1: Proyectos en todo el país que permitirían una evolución sustentable de la ofertaenergética - Más de 6,000 MW – 40,000 GWh ([3]).

Sin embargo la generación de energía a partir del viento, también tiene desventajas. En primerlugar, el impacto del ruido. Nuevos diseños han reducido los efectos de los ruidos aerodinámicospero los ruidos mecánicos aún persisten [3]. Sin embargo, como los generadores de energíaeólica deben ser colocados lejos de toda vivienda, el efecto de los ruidos es pequeño. Otro problema es la estabilidad de la torre . La torre debe tener un buen diseño estructural y un correcto sistema de anclaje a tierra, de lo contrario puede derribarse [6], [7], [8], y [9] (Ver Figura2). Otra preocupación es el efecto de las turbinas sobre los pájaros. La mayoría de los sitiosdonde hay generadores eólicos no interfiere con las rutas migratorias de pájaros en peligro deextinción pero esto podría suceder de no primar una adecuada planificación para evitar esteproblema.

Un aerogenerador obtiene su potencia de entrada convirtiendo la fuerza del viento en un paractuando sobre el eje del rotor. La densidad del aire, del área de barrido del rotor y de lavelocidad del viento son los parámetros que determinan cuanta energía del viento estádisponible para ser capturada por una turbina eólica. Por otro lado, la cantidad de energía que elrotor “es capaz de capturar” depende exclusivamente de su eficiencia aerodinámica. Por lo tanto es primordial conocer la eficiencia de las turbinas eólicas y el diseño que determinará dicha eficiencia .




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Figura 2: Accidente del prototipo de 1MW desarrollado por IMPSA WIND, plantado en el parqueeólico 'Antonio Morán' del Cerro Arenales de la ciudad de Comodoro Rivadavia ([7]) (año 2006).

El parámetro más importante pare medir la eficiencia de un sistema generador de electricidadmediante el uso de la energía eólica es el costo de la electricidad producida. Este costo esaltamente influenciado por la performance aerodinámica del rotor a través de los kilovatios

anuales producidos por la turbina. El diseño, el análisis del diseño, y las pruebas de la turbina dependen de la habilidad que se posea para determinar en forma rápida, precisa y barata la performance del rotor . Por lo tanto, para los productores y diseñadores de turbinas eólicas tiene gran importancia el software capaz de determinar la eficiencia de rotores .

Las turbinas eólicas están siempre expuestas a las condiciones propias de un ambientealtamente inestacionario. Las cargas aerodinámicas actuantes sobre las palas y la torre de unaturbina eólica son consecuentemente de naturaleza inestacionaria y exhiben además unadistribución temporal y espacial muy compleja. Esto es debido a la combinación de su caráctertridimensional e inestacionario y a la separación dinámica del flujo. El carácter tridimensional y laseparación casi-estacionaria o inestacionaria del flujo son causados por la naturaleza estocásticade la corriente de aire entrante a la turbina y por la arquitectura de la turbina. Cambios rápidos enla dirección y/o velocidad del viento producen alteraciones en el ángulo de ataque local a lo largo

de la envergadura de la pala. Tanto el ángulo de ataque local como la presión dinámica sufrencambios en la dirección radial de las palas lo que induce variaciones en la velocidad de rotaciónde la turbina y en la dinámica de orientación de la misma. Debido a estas y a otras causas, la predicción precisa y confiable del comportamiento aerodinámico de una turbina es en la actualidad un desafío para la aerodinámica computacional . Como tal, las capacidades predictivasde las técnicas numéricas actuales para predecir el comportamiento casi-estacionario,inestacionario, tridimensional, post-pérdida son cuestionables.

Los generadores eólicos varían en número y largo de palas, tamaño de las turbinas y sucapacidad de generación de energía. Existen dos principales tipos de turbinas: (1) las de ejevertical, con palas que rotan horizontalmente alrededor de ese eje, y (2) las turbinas a eje horizontal, con palas perpendiculares al viento . Este diseño es el más comúnmente usadoporque no tiene limitaciones en cuanto a su ubicación. Uno de los factores más importantes en el

diseño de generadores eólicos es el número de palas. Los molinos construidos para extraer aguanormalmente tienen muchas palas porque para extraer agua, es necesario generar un paractuando sobre el eje del rotor alto. Sin embargo, para generar electricidad, no es necesariotanto par motor y por lo tanto se requieren menos palas. El diseño mas comúnmente usado es el de tres palas . Este diseño tiene una mayor capacidad de generar energía que otros diseños perocuesta y pesa más que un diseño de dos palas. El diseño de dos palas pesa y cuesta menos queun diseño de tres palas pero es más inestable. La razón es sencilla: en el preciso instante en quela pala más alta se flexiona hacia atrás, debido a que obtiene la máxima potencia del viento, lapala más baja pasa por la “sombra del viento” producto de la interferencia aerodinámicaproducida por la torre. Este proyecto se refiere al desarrollo de herramientas numéricas para el




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estudio aeroservoelástico de turbinas eólicas de gran potencia (mayor a 1MW) de eje horizontal con rotores compuestos por tres palas .

Este trabajo de investigación complementará a un proyecto multidisciplinario llamado “Desarrollo de Tecnologías para Micro-Centrales Electro-Eólicas”, el cual pertenece a la clase de los proyectos PICT. El mismo se está llevando a cabo en la Universidad Nacional de Río Cuarto (UNRC) por medio de los grupos de Electrónica Aplicada (GEA) y de Mecánica Aplicada (GMA)pertenecientes a la Facultad de Ingeniería. El objetivo de esta línea de investigación es el desarrollo de tecnologías para el diseño, construcción e implementación de micro-centrales eléctricas, incluyendo sistemas de almacenamiento y conversión de energía eléctrica, para satisfacer las necesidades de pequeños usuarios aislados dispersos.

2. Objetivos del Trabajo

El objetivo general de este trabajo es lograr un entendimiento cabal del comportamientoaeroeservoelástico no-lineal y no-estacionario de turbinas eólicas de gran potencia de ejehorizontal. Este entendimiento podrá materializarse mediante el desarrollo de herramientascomputacionales de alta fidelidad para ser utilizadas en simulaciones numéricas. Los nuevosconocimientos derivados de este estudio serán usados para predecir respuestas controladas yno-controladas de aerogeneradores como el mostrado en la Figura 3.

El plan de trabajo aquí propuesto tiene, también, dos objetivos particulares: (1) la formaciónsuperior de recursos humanos y (2) la confección de tesis conducentes al grado de doctor. Elprimer objetivo consiste en formar profesionales en varias disciplinas de la ingeniería queincluyen: (i) mecánica estructural; (ii) dinámica de sistemas multicuerpos flexibles; (iii)aerodinámica no-lineal e inestacionaria; (iv) aeroelasticidad; (v) control; y (vi) métodosnuméricos. Esto se conseguirá mediante la asistencia a cursos de postgrado, seminarios yconferencias, la presentación de trabajos en reuniones científicas y la publicación de resultadosen revistas especializadas. El segundo objetivo consiste en aplicar las capacidades adquiridaspor los profecionales al desarrollo de una herramienta computacional que permita llevar a cabosimulaciones numéricas del comportamiento aeroservoelástico de turbinas eólicas de granpotencia (Mayores a 1 MW).

Algunos aspectos noveles de este plan de trabajo incluyen:

i) consideración del acoplamiento dinámico entre los “modos” de cuerpo rígido y los “modos” elásticos del aerogenerador flexible. En muchos trabajos anteriores, este acoplamiento no fueconsiderado correctamente ya que los “movimientos flexibles” y los “movimientos de cuerporígido” fueron tratados de una manera desacoplada. En el trabajo aquí propuesto serán utilizados modelos lineales/no-lineales de elementos finitos para modelar el estado del aerogenerador y se le dará la correcta consideración al acoplamiento mencionado más arriba ;

ii) combinación entre el modelo estructural (modelo lineal/no-lineal de elementos finitos) y el modelo aerodinámico (modelo de red de vórtices no-lineal e inestacionario, NUVLM) para capturar los aspectos físicos provenientes de la interacción fluido-estructura ;

iii) estudio de inestabilidades dinámicas (por ejemplo: pandeo dinámico, flutter) y comportamientos post-críticos tales como oscilaciones de ciclo límite (LCOs); y

iv) diseño de controladores basados en fenómenos no-lineales (tales como saturación modal), y uso de estructuras activas (o “inteligentes”) para atenuar las respuestas oscilatorias del aerogenerador .

Para poder estudiar los aspectos antes mencionados se consideran los siguientes objetivosespecíficos:




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Generar el sistema acoplado de ecuaciones híbridas de movimiento y condiciones de borde para estructuras que son modeladas como un medio elástico continuo, o como una colección general de cuerpos elásticos, cuerpos rígidos y sistemas partículas, con especial atención a estrategias robustas de acoplamiento .

Desarrollar procedimientos de reducción apropiados (discretización y otros procedimientos) para obtener un sistema finito-dimensional de ecuaciones no-lineales .

Llevar a cabo un detallado análisis dinámico no-lineal que incluya investigaciones relativas a inestabilidades de origen aeroelástico, tales como flutter, mediante el uso de herramientas numéricas utilizadas en el estudio de bifurcaciones .

Investigar inestabilidades estructurales, tales como pandeo, en la presencia de cargas aerodinámicas en turbinas eólicas de gran potencia como el mostrado en la Figura 3.

Desarrollar y explorar controladores para oscilaciones causadas por ráfagas a partir del conocimiento adquirido de la dinámica de lazo abierto del sistema, y del uso de materiales inteligentes embebidos en la estructura del rotor de la turbina eólica.

Explorar noveles sistemas de control, tales como el sistema de control no-lineal basado en el

fenómeno de saturación modal.

Debido a su naturaleza multidisciplinaria este plan de trabajo está organizado siguiendo unaestructura modular, donde cada módulo corresponderá a modelos y herramientas asociadas alas varias disciplinas mencionadas anteriormente. A continuación se describen brevemente loscuatros módulos en que se ha dividido este trabajo de investigación:

1) desarrollo de un modelo aerodinámico tridimensional, no-lineal e inestacionario,que permita estimar las cargas actuantes sobre cada una de las palas quecomponen el rotor y sobre la estructura portante (torre);

2) desarrollo de un modelo estructural (sistema multicuerpo híbrido) que prediga larespuesta de la estructura a las cargas estimadas por el modelo aerodinámicoantes descripto;

3) desarrollo de un modelo correspondiente a los sistemas de control de actitud decada una de las palas y del rotor como conjunto; y

4) desarrollo de un procedimiento/algoritmo que permita combinar los tres modelosmencionados anteriormente.

Los modelos aerodinámico-estructural-control y el procedimiento usado para combinarlos conforman el llamado modelo aeroservoelástico .




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Figura 3: Ejemplos de componentes y configuraciones completas de generadores eólicos depotencia superior a 1 MW ([3] y [10]).

3. Breve Revisión de Antecedentes

Dado que el objetivo principal de un análisis aeroservoelástico es la determinación precisa de lascargas aerodinámicas inestacionarias y no-lineales, esta breve revisión bibliográfica estacentrada en trabajos relacionados con este tema. Dowell e LLgamov [11] estudiaron el campo deaeroelasticidad no-lineal y las condiciones para las cuales las no linealidades son importantes.Cunningham [12] discutió el fenómeno de "flutter" usando técnicas de mecánica de fluidoscomputacional (CFD) mientras que Borland y Rizzeta [10] compararon los resultados obtenidosmediante técnicas de CFD con aquellos logrados mediante el uso de métodos más tradicionales.

Existen diferentes técnicas usadas en aeroelasticidad para computar las cargas aerodinámicasno-estacionarias. Entre las más famosas pueden citarse: “kernel function”, “influence-coefficients”, “strip-theory”, “piston-theory”, y “doublet-lattice method”. El primero en encontraruna solución para una superficie sustentadora con movimiento oscilatorio fue Theodorsen [14].Kussner [15] sentó las bases de una teoría general para superficies sustentadoras conoscilaciones no estacionarias. La mayoría de estos métodos son, sin embargo, lineales y casi-

estáticos. En esta propuesta, será utilizado un modelo basado en el “vortex-lattice method” para la computación de las cargas aerodinámicas . Esto permite incluir efectos aerodinámicos no- lineales y no-estacionarios característicos de las estructuras en estudio .

Los métodos basados en vorticidad tienen sus fundamentos teóricos en los teoremas deHelmholtz [16] quien demostró que en un fluido sin viscosidad los filamentos vorticosos estánsiempre compuestos por las mismas partículas. Una excelente revisión de las características,fundamentos teóricos y aplicaciones de métodos basados en vorticidad es dada por Sarpkaya[10] y Morino [10].




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El “vortex-lattice method” tiene sus orígenes en los trabajos de Belotserkovski [10] quien fue elprimero en aproximar las sábanas de vorticidad, asociadas con las capas límites y las estelas,como una red discreta de filamentos vorticosos. Belotserkovski y Nisht [10] presentaron unmodelo no lineal para flujos no estacionarios e incluyeron el cálculo de las estelas que sedesprenden del borde de fuga y de la punta del ala. Mook y Maddox [21] modificaron el métodode Belotserkovski incluyendo efectos aerodinámicos generados por separación producida porgrandes ángulos de ataque. Thrasher [22] combinó el modelo aerodinámico con un métodopredictor-corrector para poder predecir, simultáneamente, el campo de movimiento del fluido y elde un ala rectangular. El “vortex-lattice method” fue usado por Elzebda, Mook, y Nayfeh [23] yElzebda [24] para estudiar la interferencia aerodinámica entre múltiples superficiessustentadoras.

En un intento similar al propuesto en este plan de trabajo, Strganac y Mook [25], Strganac [26],Luton [27], Preidikman [28], y Preidikman y Mook [29] utilizaron el “vortex-lattice method” y unmétodo de integración basado en un esquema predictor-corrector para resolver el problemaclásico de “flutter” de un ala elástica. Nuhait [30] incorporó “feedback” control en el modelo. Másrecientemente, Dong [31] usó “feedback” control para suprimir flutter en un modelo de ala 2D,Preidikman y Mook [32] y [33] usaron esquemas de control activo y pasivo para controlar lasoscilaciones producidas por viento en puentes arriostrados, y Hall et al. [34] utilizaron una técnica

de control basada en saturación para suprimir flutter en un modelo de ala 3D.

Modelos aeroelásticosPreidikman [28] y Preidikman y Mook [29], [35] y [36], realizaron una descripción unificada de ladinámica estructural y de la aerodinámica con el fin de desarrollar simulacionesaeroservoelásticas. Esos autores desarrollaron un método general inestacionario y no-lineal dered de vórtices para simular las interacciones entre la dinámica estructural, la aerodinámica y lossistemas de control. En sus trabajos, también se presenta una técnica para combinar el métodode red de vórtices con el método de los elementos finitos. El principio de los trabajos virtuales fueextendido para transferir las cargas aerodinámicas desde la grilla aerodinámica a la mallaestructural.

Predicción de la “performance” de turbinas eólicas

En el “National Wind Technology Center”, Bir et al. [37] han desarrollado códigoscomputacionales orientados al diseño de turbinas eólicas. En una primera etapa, los autoresdesarrollaron un sofisticado modelo estructural de un aerogenerador. En este modelo se idealizala estructura de la turbina como formada por un conjunto de cuerpos flexibles y/o rígidos, los quese encuentran unidos por actuadores o conectores elásticos, con propiedades variables en eltiempo. Las palas son idealizadas como vigas flexibles que rotan. Cada una de estas vigas estásometida a distintos tipos de deformaciones: “flap bending”, “lag bending”, torsión elástica ydeflexión axial. Las propiedades elásticas y másicas de cada una de las pala son arbitrarias. Aefectos de estudiar distintas estrategias de control, se ha encarado en el “National RenewableEnergy Laboratory”, el estudio de los efectos de la turbulencia y de las ráfagas (Muljadi et al.[38]). Cabe destacar que existen varios códigos computacionales, casi todos consideradosconfidenciales, que permiten calcular las cargas aerodinámicas y las performances de unaturbina eólica. Entre los más conocidos pueden citar: ADAMS, BLADED, WT_Perf, FAST_AD, y

YawDyn (Buhl et al., [39] y Buhl et al. [40].)

4. Metodología

En este trabajo se propone atacar el problema aeroservoelástico mediante la introducción de: (1)un modelo aerodinámico inestacionario y no-lineal que permita predecir las cargas actuantessobre rotor y la torre del aerogenerador; (2) un modelo estructural multicuerpo híbrido parapredecir la respuesta de la estructura a las cargas aerodinámicas; (3) un sistema de control paraeliminar las oscilaciones inducidas por el fluido y/o para orientar las palas o el rotor de manera




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que se optimice la extracción de energía; y (4) un método que permita combinar estos tresmodelos.

La idea fundamental consiste en tratar el flujo de aire, la estructura, y los dispositivos de control como elementos de un único sistema dinámico; e integrar numéricamente, simultáneamente, e interactivamente en el dominio del tiempo todas las ecuaciones gobernantes .

Ya que el objetivo de este trabajo es estudiar movimientos inestacionarios y también explorarfenómenos no-lineales, se propone llevar a cabo simulaciones en el dominio del tiempo. Elmarco de las simulaciones que se proponen es altamente modular de manera tal que loscomponentes individuales puedan ser reemplazados sin modificar la organización general. Esteenfoque permitirá a los investigadores explotar los avances numéricos de las últimas dos o tresdécadas en los campos de la aerodinámica, dinámica estructural y control. La combinación de módulos será un importante aspecto en el desarrollo de una herramienta computacional .

La metodología propuesta, que provee la solución en el dominio del tiempo, ofrece variasventajas. El método no está restringido a movimientos periódicos o ecuaciones de movimientolineales. En contraste con soluciones obtenidas en el dominio de la frecuencia comúnmenteusadas, esquemas en el dominio del tiempo permiten la modelación de fenómenos aeroelásticossubcríticos (velocidades menores que la llamada velocidad crítica) así como también del

comportamiento aeroelástico crítico y supercrítico. En consecuencia, estos esquemas de cálculo,pueden ser una herramienta muy efectiva para el diseño de sistemas de control para lasupresión de oscilaciones inducidas por “flutter” u otro tipo de inestabilidad. Debido a que lasecuaciones son integradas numéricamente, no-linealidades estructurales pueden ser incluidassin dificultad. El modelo aerodinámico que se propone es inherentemente no-lineal.

El modelo aerodinámico: este modelo permite estimar las cargas de naturaleza aerodinámicaactuantes sobre el conjunto rotor/torre. Deberá ser tridimensional, no-lineal y no-estacionario. Elmodelo propuesto en este trabajo esta basado en una técnica de la aerodinámica computacionalconocida como el método de red de vórtices inestacionario (UVLM), una generalización delfamiliar “vortex-lattice method”, ampliamente utilizado para el cálculo de flujos incompresibles yestacionarios. Esta técnica tiene en cuenta las no-linealidades aerodinámicas asociadas conángulos de ataque, deformaciones estáticas, flujos dominados por vorticidad, y comportamiento

no-estacionario. Mediante el uso del UVLM es posible estimar, en el dominio del tiempo, lascargas aerodinámicas actuantes sobre cada pala, la distribución de vorticidad asociada a lasábana vorticosa adherida a cada pala, y la distribución de vorticidad y forma de las estelasemitidas desde el borde de fuga y puntera de cada una de las palas que integran el disco.Además, permite tener en cuenta todas las posibles interferencias aerodinámicas entre palas-palas, palas-estelas, estelas-estelas, y estelas-torre. La historia del movimiento se almacena enlas estelas, lo que permite contemplar los efectos aerodinámicos de tipo histerético. La entrada(“input”) del modelo aerodinámico será una corriente de aire que puede variar en el tiempo, tantoen magnitud como así también en dirección. Estos datos pueden ser de origen sintético, o bien,ser obtenidos experimentalmente como resultados de mediciones.

El modelo estructural: este modelo será el encargado de predecir la respuesta de la estructuraa las cargas estimadas por el modelo aerodinámico antes descrito. Los modelos estructurales a

desarrollar son una extensión de los usados por Preidikman [28]. Se considerarán dos tipos demodelos: (a) Modelos analíticos, los cuales pueden ser descritos por una ecuación o un sistemade ecuaciones diferenciales en derivadas parciales y un conjunto de condiciones iniciales y deborde. Estas ecuaciones son generalmente no-lineales y para su solución se las atacadirectamente sin la necesidad de obtener una “formulación débil” del problema, y (b) Modelos deelementos finitos, que son descritos por un sistema de ecuaciones híbridas (diferencialesordinarias + diferenciales parciales + integrales) y un conjunto de condiciones iniciales y deborde. Estos modelos deberán ser lo suficientemente complejos para analizar comportamientono-lineal geométrico y deben ser capaces de modelar palas construidas con materialescompuestos de flexibilidad distribuida y concentrada. En el modelo con flexibilidad concentrada la




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unión palas-cubo será elástica, de manera que permita que cada pala ajuste su “paso” (ángulode ataque) en función de las cargas actuantes provenientes del modelo aerodinámico. Estehecho es de fundamental importancia ya que se puede mejorar sustancialmente la envolvente demáximo rendimiento mediante el uso de controles activos y/o pasivos que permitan modificar laactitud de las palas. De este modo se espera predecir la energía que el rotor extrae del fluido,calcular el rendimiento del mismo y buscar los controles que permitan su optimización.

El procedimiento para combinar los modelos: la idea fundamental consiste en tratar el flujode aire, la estructura, y los dispositivos de control como elementos de un único sistema dinámico;e integrar numéricamente, simultáneamente, e interactivamente en el dominio del tiempo todaslas ecuaciones gobernantes. Sin embargo, esta metodología presenta una complicaciónimportante: para predecir las cargas aerodinámicas se debe conocer el movimiento de laestructura, y para predecir el movimiento de la estructura se deben conocer las cargasaerodinámicas. Para salvar este obstáculo, se desarrollará un esquema iterativo que tenga en cuenta la interacción entre las cargas aerodinámicas, el movimiento de la estructura y los sistemas de control . Este esquema será capaz de contemplar la integración de ecuaciones demovimiento que contengan cargas no conservativas tales como: cargas “seguidoras” (quedependen de la configuración del sistema); cargas que dependen del estado del sistema(configuración y velocidad); y cargas que dependen, además, de la aceleración del sistema(efecto de “masa agregada”.)

La corriente de aire será el “input” del modelo aerodinámico. A través de un procedimiento detransferencia o combinación de modelos, a desarrollar en este mismo trabajo, se transferiránestas cargas al modelo estructural. Es decir, el “ouput” del modelo aerodinámico es el “input” delmodelo estructural. El modelo aeroservoelástico contiene las ecuaciones que describen ladinámica del sistema. Este sistema de ecuaciones integro-diferenciales puede ser integrado enel dominio del tiempo mediante el uso de un método predictor-corrector de 4to ordendesarrollado por Hamming. Este procedimiento permite obtener el estado del sistema dinámicocompleto. Es decir, el estado del modelo estructural, del sistema de control y del modeloaerodinámico.

Las no-linealidades estructurales y aerodinámicas, incorporadas en los respectivos modelos(módulos), permitirán analizar comportamientos poscríticos exclusivos de la dinámica no-lineal,

como por ejemplo oscilaciones de ciclo límite, coalescencia de frecuencias, etc.

El código de computadora: todos los modelos desarrollados en este trabajo se implementaráncomputacionalmente mediante un código escrito en un lenguaje moderno y estructurado (Fortran95/2000.) Aunque este es un trabajo auto contenido, el código a desarrollar es realmente unmódulo de un programa más general orientado a realizar simulaciones numéricas delcomportamiento de un “aerogenerador completo” incluyendo, por ejemplo, la dinámica propia delos sistemas electrónicos de potencia y de administración de la energía.

5. Actividades

Un equipo multidisciplinario que combina el fuerte en las áreas de dinámica no-lineal,aeroelasticidad, aerodinámica, dinámica de fluidos computacional, y mecánica estructural de las

Universidades Nacionales de Río Cuarto y Córdoba ha sido ensamblado a efectos de realizar unproyecto innovador que permita modificar radicalmente las propuestas existentes para el diseñoy control de turbinas eólicas de eje horizontal de gran potencia.

Se propone un período de tres años para investigar analítica y numéricamente laaeroservoelasticidad inestacionaria y no-lineal de turbinas eólicas de gran potencia de ejehorizontal. Esta investigación apunta a mejorar la comprensión de los fenómenosaeroservoelásticos no-lineales asociados a los aerogeneradores de gran escala. Es evidente queel desarrollo de los métodos requeridos para modelar y controlar un aerogenerador de semejantetamaño, promoverá un mejor entendimiento del fenómeno dinámico inestacionario y no-lineal en




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general. Otro importante producto de este esfuerzo será una herramienta computacional quepodrá ser utilizada para llevar a cabo estudios de aeroelasticidad computacional no-lineal einestacionaria de turbinas eólicas de gran potencia y altamente flexibles. La investigaciónpropuesta proveerá fundamentos necesarios para el diseño de futuras generaciones deaerogeneradores.

Período Tareas a Realizar Resultados Esperados

Año 1

Desarrollar modelos estructurales para lossistemas aerogeneradores considerados.

Iniciar el desarrollo del método de red devórtices inestacionario, no-lineal (NUVLM)para los aerogeneradores considerados.

Descripción cinemática y modelos finito-dimensiónales, no-lineales para la estructurade los aerogeneradores considerados.Modelos de elementos finitos que puedenser utilizados para llevar a cabo estudiosaeroelásticos.

Año 2

Acoplar los modelos estructurales no-linealescon el NUVLM.

Llevar a cabo simulaciones del sistemacompleto.

Iniciar estudios de la dinámica de lazo abiertoutilizando los modelos finito-dimensionales de

los aerogeneradores con el fin de explorar yentender las inestabilidades de naturalezano-lineal.

“Quizás”, uno de los primeros modelos conno-linealidad estructural y no-linealidadaerodinámica para turbinas eólicas de grandiámetro y altamente flexibles.

Comparar resultados provenientes de lassimulaciones numéricas con aquellosobtenidos experimentalmente por otros

investigadores.

Año 3

Acoplar los modelos estructurales no-linealescon el NUVLM y llevar a cabo simulacionesincluyendo algunos algoritmos de controlclásicos. Completar las investigaciones relativas ainestabilidades de naturaleza no-lineal paralos aerogeneradores considerados.

Llevar a cabo estudios del control de ladinámica de lazo cerrado utilizando

elementos estructurales activos (materialesinteligentes) para los aerogeneradoresconsiderados.

Explorar estrategias de control noveles.

Catalogo de inestabilidades tales comopandeo y flutter para los aerogeneradoresconsiderados.

Potencialmente nuevas estrategias decontrol no-lineal para los aerogeneradoresconsiderados, mediante el uso de elementosestructurales activos.

6. Factibilidad

Los dos lugares donde se llevará a cabo este trabajo cuentan con la infraestructura y losservicios necesarios para desarrollar exitosamente este esfuerzo de investigación. En lasUniversidades Nacionales de Río Cuarto y Córdoba se llevan a cabo actividades de investigacióny divulgación científica, formación de recursos humanos, y transferencia de tecnología. Lasfacilidades computacionales disponibles en las dos Universidades antes mencionadas podrán

ser usadas para este trabajo.

7. Referencias Bibliográficas

[1] Bull, S., Billman, L., “Renewable energy: ready to meet its promise?,”Washington Quarterly, Vol. 23, pp. 1-7, 2000.

[2] González, J. A., “Importancia de la energía eólica en el desarrollo,” PORTALENERGETICO INTERNACIONAL, Octubre, 2005.http://www.gabinete.org.ar/Octubre_2005/renovable.htm




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[3] IMPSA WIND, “Tecnología Nacional en Energía Renovables a Gran Escala,”Industrias Metalúrgicas Pescarmona S.A.I.C.& F, Mendoza, Argentina, 1998.http://www.impsa.com/home.php?sel_0=5&sel_1=10&PHPSESSID=29144a0b66b91138666412dd49ac87e5

[4] REGIMEN NACIONAL DE ENERGIA EOLICA Y SOLAR, Ley 25.019 (segundapublicación). Boletín Oficial n° 29.038, Senado y Cámara de Diputados de laNación Argentina, 7 de diciembre de 1998, pp. 1-2.

[5] “The Most Frequently Asked Questions About Wind Energy,” American WindEnergy Association, 2002. http://www.awea.org/pubs/documents/FAQ2002%20-%20web.PDF

[6] “Accidente con el prototipo del aerogenerador de la empresa IMPSA Wind enComodoro Rivadavia,” Comunicado de prensa 001-2006, Asociación Argentinade Energía Eólica, Buenos Aires, 19 de Julio de 2006.www.argentinaeolica.org.ar

[7] “Se desmoronó el primer molino eólico fabricado en el país,” Campo en Acción,

Entre Ríos, 2006. http://www.campoenaccion.com/nota.php?id=2344

[8] “Se desmoronó el primer molino eólico fabricado en el país: 3 heridos,” Diario elSantacruceño, Santa Cruz, Miércoles, Julio 19 de 2006.http://www.santacrucenio.com.ar/archivos/2006/Regionales/20060719464651913276.shtml

[9] “Rescatan a un hombre atrapado en la torre de un molino de viento,” La OpiniónAustral, Río Gallegos, Julio 18 de 2006.

[10] Vestas Wind Systems A/S, Denmark. www.vestas.com

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Aires de la Universidad Tecnológica Nacional, ISBN: 950-42-0057-5; 950-42-0058-3 (Internet); 950-42-0059-1 (CD ROM), Buenos Aires, Argentina, pp. 389-410,2005.

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