Aerodinámica de turbina eólica marina

Abstract

Según las previsiones actuales, se estima un crecimiento global de la demanda energética de alrededor del 1% anual a partir de 2015. Esto implica un crecimiento acumulado de alrededor del 25% para el año 2040 (IEA16). Mientras que en los países desarrollados, los valores de consumo energético se estabilizan; estos se disparan en países en los que se está dando un súper-crecimiento poblacional a la par que económico-industrial, como es el caso de China o India. Pese a la utilización de nuevas tecnologías para la explotación de dichos combustibles, como el fracking en la extracción de petróleo, éstos siguen presentando altos niveles de volatilidad que pueden desestabilizar la economía completa de un país, especialmente de los energéticamente dependientes, como es el caso de España, al carecer de recursos propios de este tipo. Este incremento energético, unido al uso de tecnologías poco eficientes por parte de los países en desarrollo puede llegar a tener un impacto catastrófico. Pese a los diferentes esfuerzos internacionales como la directiva europea conocida como “20 20 20” o el acuerdo de París de la COP 21, se espera un aumento de emisiones de CO2, el cual supere el simbólico umbral de 400 ppm en 2015 o 2016 (WMO16). Un incremento en la producción de energía de carácter renovable permitirá obtener un descenso de las emisiones de CO2 (una de las causas del cambio climático), contribuyendo al desarrollo sostenible. Dentro de los portfolios de producción de energía renovable, destacan los parques eólicos off-shore. Estos contribuirán además al desarrollo de la generación distribuida, permitiendo la llegada de electricidad a zonas complicadas como las islas. A nivel de consumidor se producirá un abaratamiento en el coste de la energía, puesto que el viento es un recurso natural y gratuito. Otras ventajas se encuentran en la posibilidad de creación y desarrollo de una industria especializada en la producción, gestión y operación de los parques eólicos offshore (fabricación de aspas, barcos para el transporte y mantenimiento…) o incluso la transformación y evolución de sectores tradicionales como el naviero; o la posibilidad de combinar esta tecnología con otras en fase de investigación, como la energía de las olas, que aumentaría su potencial debido a las sinergias existentes (IIOf16). Las previsiones de crecimiento de eólica offshore en Europa se pueden ver en la Figura 1. Remarcar que para 2020 se espera que los costes de instalación y de inversión anual sean del mismo orden que con las eólicas on-shore (IIOf15) y que en 2030 se espera que solamente la eólica offshore suministre cerca del 20% de las necesidades energéticas europeas.Este proyecto busca la realización de un estudio multidisciplinar acerca de esta tecnología con el fin de conocer las ventajas y oportunidades que pueden presentar y que pueden contribuir a su desarrollo. En concreto, se busca el desarrollo de un modelo aerodinámico de la turbina eólica marina, profundizando en el análisis de sus diferentes componentes. Un estudio de los diferentes parámetros permitirá la optimización del modelo desarrollado. Una vez diseñado el modelo del aerogenerador, será necesario definir una serie de estados de cargas para analizar el comportamiento del mismo al ser sometido a dichas cargas y así proceder a la evaluación de su comportamiento en vida operativa. Las cargas resultantes sobre el aerogenerador constituirán la base para el diseño posterior de las diferentes partes del mismo. Finalmente, se buscará determinar la rentabilidad de la turbina. Previo a realizar el modelo del aerogenerador, se ha realizado un estudio bibliográfico con el fin de conocer y evaluar las tecnologías de los aerogeneradores offshore existentes, sus fortalezas y flaquezas, para así realizar un modelo lo mejor posible. A saber: • Características generales: eje de la turbina (horizontal vs. vertical); posicionamiento respecto al viento (barlovento vs. sotavento). • Palas: características generales, número, materiales (metálicos como el aluminio y el acero, vs. compuestos como la fibra de vidrio y carbono). • Transmisión: directa vs. con caja multiplicadora. • Generador: de velocidad fijo (50 Hz) vs. de velocidad variable. • Torre: material (acero vs. hormigón armado); anclajes (fijado al lecho marino vs. flotante). • Sistema de control: control por pérdida aerodinámica vs. control por variación de ángulo de paso.According to current forecasts, a growth in global demand of around 1% is estimated from year 2015 on. This implies a global growth of 25% by year 2040 (IEA16). On the one hand on developed countries these energetic consumption values stabilize. On the other, in developing countries such as China or India, where there is happening a population super-growth together with the economic and industrial, this growth soars. Despite the use of new technologies for the exploitation of the different combustibles, such as the fracking for oil extraction, these fuels still present high levels of volatility that can destabilize the entire economy of a country, such as the Spanish one. This energetic increase, together with the use of low efficiency technologies of the developing countries can debouch in catastrophic impact. Notwithstanding the different international efforts such as the European directive known as “20 20 20” or the Paris agreement of the COP 21, an increase of the CO2 emissions is expected, that will outrun the symbolic threshold of 400 ppm in 2015 or 2016 (WMO 16). An increase of the renewable energies will allow a decrease in the CO2 emissions (one of the main causes of the global warming), contributing to a sustainable development. In the portfolio of these renewable energy production sources, the offshore wind farms outstand. This offshore wind farms will contribute in the development of distributed generation, allowing the arrival of electricity to difficult access zones, such as the islands. At consumer level, a decrease in the cost of energy will occur, as the wind is a natural and free resource. Other strengths of this energy resource are the possibility of the creation and development of an industry specialized in the production, management and operation of the marine wind farms (manufacturing of the blades, boats for transport and maintenance…) or even the transformation and evolution of traditional sectors such as the naval sector; or the chance to combine this technology with others in on going investigation, such as the waves energy, which could increase its potential due to the existing synergies (IIOf16). The growth provisions for the offshore wind energy in Europe can be found in Figure 1. Emphasise that it is expected for 2020 that installation and annual investment costs level with the onshore wind energy’s (IIOf15) and that for 2030 it is expected that offshore wind farms supply nearly 20% of the European energetic needs.This project aims to perform a multidisciplinary study of the offshore wind energy, in order to get to know its advantages and the opportunities it may offer and contribute to its development. Particularly, we search the development of an aerodynamic model of the turbine deepening in the analysis of the different components. A study of the different parameters will allow the optimization of the development model. Once the model is complete, it will be necessary to define a series of load cases as means to analyse the behaviour of the machine during its operative life. The resultant loads the wind turbine suffers will constitute the base for the posterior design of its different components. Finally, we will seek to determine the profitability of the turbine. Previous to carrying out the model of the wind turbine, a bibliographic research has been done in order to get to know and evaluate the offshore windmill existing technologies, its strengths and weaknesses, as means to create the best possible model. • General features: turbine axis (horizontal vs. vertical); positioning regarding the wind (upwind vs. downwind). • Blades: general characteristics, number, materials (metallic such as Steel and aluminium, vs. composites such as fiberglass and carbon fibber). • Drive: direct vs. gearbox. • Generator: fixed speed (50 Hz) vs. variable speed. • Tower: material (Steel vs. reinforced concrete); anchoring (fixed to the marine soil vs. floating structure). • Control system: stall control vs. variable pitch angle control.