Desarrollo de una Plataforma de Co-Simulación para el Estudio Integral de Turbinas Eólicas: Aspectos Teóricos y de Modelado

Abstract

La generación de energía eléctrica a partir del aire en movimiento es considerada actualmente la tecnología más prometedora en cuanto a su contribución a la matriz energética de países con grandes recursos eólicos. Este hecho se ve reflejado por el continuo incremento en el tamaño y la capacidad de los aerogeneradores: desde rotores de 15 m de diámetro y una potencia nominal de 0.05 MW hasta las grandes turbinas eólicas de eje horizontal (Large Horizontal-Axis Wind Turbines, LHAWT) con rotores superiores a los 120 m de diámetro y potencia aproximada de 8 MW. Un diseño eficiente de estas grandes máquinas rotantes debe involucrar, indefectiblemente, un enfoque holístico que incluya los múltiples campos físicos intervinientes, tales como: i) aerodinámica; ii) hidrodinámica (turbinas emplazadas en el océano); iii) dinámica estructural; iv) dinámica eléctrica; y v) control. En este trabajo se presentan los aspectos teóricos relacionados al modelado y diseño de una plataforma numérica de cosimulación destinada al análisis integral de LHAWTs. Específicamente, en esta primera etapa, el sistema dinámico bajo estudio es particionado en tres subsistemas: i) un modelo multicuerpo rígido para la estructura de la turbina; ii) un modelo aerodinámico basado en el método de red de vórtices no lineal e inestacionario (Unsteady Vortex-Lattice Method, UVLM) para estimar las cargas sobre las palas de la turbina; y iii) un modelo de máquina síncrona de imanes permanentes para el control del generador y el monitoreo de condición. Los tres subsistemas intercambian información bidireccionalmente mediante un esquema de acoplamiento fuerte. Finalmente, se presenta la implementación computacional del marco de co-simulación propuesto y el esquema numérico para integrar todas las ecuaciones gobernantes en el dominio del tiempo.