1_Metodos_Aerodinamicos_para_diseño_aerogenerador

METODOS AERODINÁMICOS PARA DISEÑOEN EL AEROGENERADOR

Xabier Munduate

Wind Energy DepartmentCENER - National Renewable Energy Centre (Spain)

Introducción

Escalas espaciales y temporales

Metodos Aerodinámicos para aerogeneradores: BEM Estela deVortices CFD: Navier-Stokes

Conclusiones

Indice

Precio de la Electricidad

Precio de la electricidad, c€/kWh

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Pre

cio Variacion

Mínimo

CARBON GAS NUCLEAR EOLICA

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]

EJE VERTICAL “DARRIEUS” VAWT

Vista en planta

Tipos de Aerogenerador

Barlovento-Upwind Sotavento-Downwind

Tipos de Aerogenerador

EJE HORIZONTAL- HAWT

Fig 2 Tipología de Aerogenerador de eje horizontal-HAWT ref[2]

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

Fuerzas en la pala

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 aguasabajo. 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 desólidos próximos (interacción pala-torre, o rotor-góndola).

Campo fluido en el aerogenerador

El campo aerodinámico objeto de estudio en un aerogenerador se puede dividir en: la zona local y la zona global

Zona global Zona globalZona local

Escalas espaciales y temporales

LA ZONA LOCAL

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.

Zona local

Escalas espaciales y temporales

LA ZONA GLOBAL

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.

Zona global Zona globalLA ZONA GLOBAL

Escalas espaciales y temporales

TEORIAS AERODINAMICAS

BEM: Teoría del elemento de pala

METODO ESTELA DE VORTICES

CFD: NAVIER-STOKES

Metodos Aerodinamicos para Diseño

BEM

Blade Element Momentum-Teoría del elemento de palaCombinación 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.

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.

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

Fig 3 Estela del rotor. ref[5]

EstelaViento

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.

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)

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.

CFD

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

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.

TIEMPOSBEM calculo segundos-minutosESTELA LL HorasESTELA PC DiasNS Dias

DATOS NECESARIOSBEM geometría basica, condiciones de funcionamiento, datos del

perfilESTELA LL geometría basica, condiciones de funcionamiento, datos

del perfilESTELA PC geometría detallada, condiciones de funcionamiento.NS geometría detallada, condiciones de funcionamiento

RESULTADOSBEM Potencia-Fuerza aerodinamica axial y tangencial-No aporta

información sobre la estelaESTELA LLPotencia-Fuerza aerodinamica axial y tangencial-

Estructura de la estelaESTELA PC Potencia-Fuerza aerodinamica axial, tangencial y radial-

Estructura de la estelaNS Potencia-Fuerza aerodinamica axial, tangencial y radial-

Estructura detallada de la estela

Comparativa

Resultados comparacion de codigos

Resultados comparacion de codigos

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.

Conclusion Final

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, AnnualReview 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.