Modelización por elementos finitos de parques eólicos

Abstract

La relevancia de la energía eólica ha aumentado drásticamente en los últimos años debido a los desafíos medioambientales y la demanda energética creciente. Un aspecto fundamental de esta fuente de energía es su carácter sostenible, al ser el viento consecuencia del calentamiento de la atmósfera por la radiación solar y de la rotación de la Tierra. Esta característica supone un gran atractivo con vistas al futuro. La apuesta por la instalación de parques eólicos supone una inversión en innovación tecnológica en este campo, en el que cobran especial importancia las herramientas de simulación. El diseño y la optimización de aerogeneradores y parques eólicos ha encontrado un fuerte aliado en la Mecánica de fluidos computacional, una rama de la mecánica de fluidos que emplea análisis numérico y algoritmos para resolver y estudiar problemas relacionados con el flujo de fluidos. La modelización de los aerogeneradores mediante métodos analíticos permite estudiar el comportamiento del viento en torno a un aerogenerador e incluso, en un parque eólico que integre un elevado número de turbinas.
El fin último de este trabajo es la modelización y simulación de un parque eólico para posibilitar el desarrollo de una herramienta de optimización sobre el programa de elementos finitos IRIS. Este objetivo se aborda a través de la definición e implementación de un modelo de aerogenerador y la realización de simulaciones de complejidad creciente, empezando por un aerogenerador aislado y concluyendo con la simulación de un parque eólico existente.
En el desarrollo de este Trabajo de Fin de Grado (TFG) pueden diferenciarse tres bloques. El primero tiene un enfoque teórico y comprende los dos primeros capítulos del presente documento, se trata de estudio analítico de la aerodinámica de un aerogenerador y de una serie de modelos matemáticos, cuyo objeto es la modelización de un aerogenerador para su simulación por ordenador. En esta parte se pretende comprender el mecanismo de extracción de potencia que tiene lugar en el rotor de un aerogenerador, de forma que pueda crearse un modelo del mismo.
El segundo y tercer bloque cuentan con un carácter práctico al tratarse de la aplicación de uno de los modelos estudiados, con ciertas simplificaciones, para la obtención de los resultados del trabajo.
En el segundo bloque se han llevado a cabo varias simulaciones de un aerogenerador aislado y se han analizado las predicciones de potencia generada que resultan de ellas mediante el contraste con las especificaciones técnicas del aerogenerador y otros resultados obtenidos en estudios similares. Por otro lado, se ha estudiado la influencia de determinados parámetros del modelo sobre las estimaciones realizadas, así como la relevancia de la elección del mallado empleado.
El tercer bloque trata la simulación de varios aerogeneradores con vistas a observar las consecuencias que tiene agruparlos, en términos de interacción entre las estelas y potencia generada.
Finalmente, la simulación de un parque eólico de mediano tamaño supone el nexo entre el trabajo realizado y la continuación lógica del mismo, la optimización de un parque eólico. Es en este punto en el que se han alcanzado los límites de la capacidad de computación de la que dispone el departamento.
Se exponen los resultados obtenidos y se detallan las inestabilidades que derivan de las limitaciones mencionadas.
El estudio de los modelos básicos de la aerodinámica de un aerogenerador ha permitido identificar el modelo del disco actuador (ADM) como opción adecuada para cumplir los objetivos de este trabajo. El modelo satisface el requisito de lograr un equilibrio entre simplicidad, en términos de exigencia de poder computacional, y precisión, en tanto que los resultados obtenidos permitan llevar a cabo análisis válidos de escenarios de distribución de aerogeneradores.
La implementación en IRIS del modelo ADM axisimétrico ha supuesto la realización de una serie de simplificaciones. Cabe destacar que se trata de un modelo limitado al rotor (buje y palas) del aerogenerador que no considera la influencia de la topografía del terreno, el efecto del suelo y las características de la capa límite atmosférica. Por otro lado, aprovechando la simetría axial del flujo incidente sobre el aerogenerador, se ha resuelto el problema bidimensional en coordenadas cartesianas.
La simplificación anterior permite la simulación de parques eólicos en dos dimensiones.
La aptitud del modelo ha sido estudiada por medio de simulaciones, que han permitido valorar la robustez del modelo ante variaciones del mallado y del parámetro relacionado con la distribución de las fuerzas elementales y la validez de la representación de la interacción de aerogeneradores cercanos entre sí. Como parte de este estudio, se han llevado a cabo el análisis y contraste de resultados con las especificaciones técnicas y las valoraciones de otros trabajos.
El resultado culminante de este proyecto es la correcta simulación de un conjunto de aerogeneradores existente, el parque eólico de Lillgrund.
Sobre el trabajo realizado en el desarrollo de este proyecto es posible llevar a cabo modificaciones que permitan prescindir de ciertas simplificaciones tomadas en la definición del modelo y, cabe esperar, aumenten la precisión de las resultados. Un claro ejemplo de modelización de mayor complejidad con un gran interés es la simulación en tres dimensiones del campo fluido. Se ha alcanzado el objetivo general de sentar los cimientos sobre los que será posible construir una herramienta de optimización de parques eólicos basada en el software IRIS.