METODOS AERODINÁMICOS PARA DISEÑO EN EL AEROGENERADOR

1. METODOS AERODINÁMICOS PARA DISEÑO EN EL AEROGENERADOR Xabier Munduate Wind Energy Department CENER - National Renewable Energy Centre (Spain)

2. Indice • Introducción • Escalas espaciales y temporales • Metodos Aerodinámicos para aerogeneradores: • BEM • Estela deVortices • CFD: Navier-Stokes • Conclusiones

3. Precio de la Electricidad Fig 1 Comparativa del precio de la electricidad en c€/kWh en 1998. Fuente (European Comission Directorate-General for Energy 1998). Tasa de descuento 5%, vida a 20 años, viento de 5 a 10 m/s a altura del buje ref[1]

4. EJE VERTICAL “DARRIEUS” VAWT Tipos de Aerogenerador Vista en planta

5. Tipos de Aerogenerador EJE HORIZONTAL- HAWT Barlovento-Upwind Sotavento-Downwind Fig 2 Tipología de Aerogenerador de eje horizontal-HAWT ref[2]

6. Fuerzas en la pala • Logra la fuerza (F) por sustentación y arrastre del aire sobre la pala. Se descompone en una fuerza de giro (T) y un empuje (E). Vista en planta

7. Campo fluido en el aerogenerador • El campo de velocidades sin perturbar es no uniforme y no estacionario, con alta turbulencia. • El aerogenerador modifica las condiciones del flujo aguas arriba del propio rotor y aguas abajo. La estela afectan severamente el comportamiento del aerogenerador induciendo velocidades en el propio rotor. • Al contrario que en ala fija, el flujo a través del aerogenerador es altamente no lineal • El aerogenerador es una estructura que posee movimiento de sólido rígido y como sólido elástico, complicando su modelado. • Existe una fuerte componente de Aerodinámica Interaccional, es decir interacción aerodinámica de sólidos próximos (interacción pala-torre, o rotor-góndola).

8. Escalas espaciales y temporales • El campo aerodinámico objeto de estudio en un aerogenerador se puede dividir en: la zona local y la zona global Zona global Zona local Zona global

9. Zona local LA ZONA LOCAL Escalas espaciales y temporales • La zona local, abarca el flujo de aire más próximo a las superficies de la pala, la góndola y la torre. Los parámetros de referencia son: c y Ωr. Escala temporal t=c/ Ωr.

10. LA ZONA GLOBAL Escalas espaciales y temporales • Engloba el viento incidente desde varios diámetros de distancia, aguas arriba del rotor, hasta la estela, aguas abajo, con dos parámetros de escala : D y V. La escala temporal es t=D/V. LA ZONA GLOBAL Zona global Zona global

11. TEORIAS AERODINAMICAS Metodos Aerodinamicos para Diseño • BEM: Teoría del elemento de pala • METODO ESTELA DE VORTICES • CFD: NAVIER-STOKES

12. BEM • Blade Element Momentum-Teoría del elemento de pala • Combinación de la teoría de la cantidad de movimiento + teoría del elemento de pala. Creada por Glauert 1935 ref[3] • Simple, rápida ( 1seg-1minutos) , por tanto apta para diseño.

13. BEM • Divide la pala en un número de elementos independientes desde la raíz hasta la punta de pala • La velocidad inducida por la estela en cada elemento se determina realizando un balance de cantidad de movimiento axial y angular para un control de volumen anular que contenga al elemento de pala • Las fuerzas aerodinámicas se calculan utilizando coeficientes de sustentación y resistencia, Cl y Cd 2D, provenientes de ensayos en el túnel del viento. Debido a estas simplificaciones el método básico BEM sufre la siguiente limitación: • Es un método estático 2-D, por tanto no admite transitorios tanto en la ZONA GLOBAL como en la ZONA LOCAL • No tiene en cuenta ni el numero de palas ni la dimensión finita de estas.

14. ESTELA • Método propuesto por Gray en los 50, y perfeccionado por Landgrebe y otros en los 70 y 80. ref[4] [5] • Característica principal de este método es que calcula las velocidades de la estela y su geometría Viento Estela Fig 3 Estela del rotor. ref[5]

15. ESTELA • En este método, la pala puede representarse por línea de sustentación (teoría de sustentación de Prandtl ) tipo BEM o de forma mas compleja por superficies de sustentacion. • Considera las palas representadas por una serie de vórtices (se originan en el rotor) que se mueven longitudinal y transversalmente para completar la estela en forma helicoidal.La estela se puede modelizar en estela rígida, estela predeterminada y estela libre. • Asume o calcula la geometría de la estela, utilizando la ley de Biot-Savart para el calculo de velocidades inducidas.

16. ESTELA • La teoría de estela considera los efectos no estacionarios en la ZONA GLOBAL como variaciones de orientación y velocidad del viento. Permite el estudio detallado de estelas • Sin embargo sufre de limitaciones a la hora de estimar el flujo tridimensional transitorio en la ZONA LOCAL • Esta teoría consume un tiempo considerable de computación. A pesar de ello y con el aumento de la potencia de cálculo se esta convirtiendo en un método atrayente para futuros diseños(1minutos-1dias)

17. CFD • Métodos CFD basados en flujo Potential se desarrollaron en los 80. • Métodos de Euler y Navier-Stokes con flujo incidente predeterminado se desarrollaron al final de los 80, ref[6] • Modelos de Navier-Stokes que capturan turbulencia comenzaron durante 1990 • Hoy en día, se trabaja en la mejora de la solución (exactitud y velocidad) y en los modelos de turbulencia y transición.

18. CFD • Primer calculo CFD Navier-Stokes aerogenerador: rotor, nacelle y torre.1999 ref(6)

19. CFD • Métodos CFD Navier-Stokes estan basados en las ecuaciones completas del flujo de aire, 3D viscoso turbulento transitorio para ZONA LOCAL (Re=10^4) y GLOBAL (Re=5x10^6). DNS cálculos sufren inestabilidad en tiempo y espacio. • RANS: Inconveniente: dependencia del modelo de transición y turbulencia elegido a la hora de obtener los resultados. Se necesitan tiempos de computación largos (1horas-1dias). • Ventaja: permite calculos 3D transitorios directamente y permite ver detalles del flujo aerodinámico que a través del análisis experimental son difíciles de detectar.Complementar y Mejorar BEM. Diseño de detalle.

20. Comparativa TIEMPOS • BEM calculo segundos-minutos • ESTELA LL Horas • ESTELA PC Dias • NS Dias DATOS NECESARIOS • BEM geometría basica, condiciones de funcionamiento, datos del perfil • ESTELA LL geometría basica, condiciones de funcionamiento, datos del perfil • ESTELA PC geometría detallada, condiciones de funcionamiento. • NS geometría detallada, condiciones de funcionamiento RESULTADOS • BEM Potencia-Fuerza aerodinamica axial y tangencial-No aporta información sobre la estela • ESTELA LLPotencia-Fuerza aerodinamica axial y tangencial-Estructura de la estela • ESTELA PC Potencia-Fuerza aerodinamica axial, tangencial y radial-Estructura de la estela • NS Potencia-Fuerza aerodinamica axial, tangencial y radial-Estructura detallada de la estela

21. Resultados comparacion de codigos

22. Resultados comparacion de codigos

23. Conclusion Final • El desarrollo de modelos aerodinámicos de diseño necesita del apoyo y la experimentación en campo, en el túnel de viento así como de simulaciones CFD.

24. Referencias [1] Comparativa del precio de la electricidad en c€/kWh en 1998.European Comission Directorate-General for Energy 1998. [2] Hansen, A. C., Butterfield C. P., Aerodynamics of Horizontal Axis Wind Turbines, Annual Review of Fluid Mechanics, Vol 25, 1993. [3] Glauert, H. (1935) Airplane propellers. En: Aerodynamic Theory (W. F. Durand, Ed.). Vol. IV, Div. L. Springer. Berlin. [4] Lopez Ruiz J. L (1993)., Helicópteros. Teoría y diseño conceptual. Edita ETSI Aeronauticos, Madrid [5] Coton, F. N., Wang, T.(1999). The prediction of horizontal axis wind turbine performance in yawed flow using an unsteady prescribed wake model. Journal of Power and Energy 213, 33-43. [6] Duque E.P.N. et al. (1999) Navier-Stokes analysis of time dependant flows about wind turbines. Proc. of 3rd ASME/JSME Joint Fluids Eng. Conf. FEDSM99-7814.