Comportamiento de un aerogenerador en el mar

Abstract

Ante la creciente demanda de energía y las previsiones a futuro, la UE ha desarrollado la estrategia 20 20 20, que establece como objetivos europeos para el 2020 la reducción en un 20% de las emisiones, la producción de al menos un 20% de la energía total proveniente de una fuente renovable, y el aumento en un 20% de la eficiencia energética. Los acuerdos de Paris de la COP 21 también muestran un compromiso de los países para luchar contra las emisiones y el cuidado del medioambiente. En este contexto la energía eólica desempeña un papel fundamental, al generar una energía limpia y abundante que ya tiene un papel amplio e imprescindible en grandes potencias mundiales. La eólica offshore es una tecnología aún con mucho potencial de mejora, sobre todo en costes de producción, que la hacen ser menos competitiva que sus predecesoras onshore. Existe un gran potencial en esta tecnología al tener una capacidad de producción mucho mayor que la terrestre y la gran cantidad de recursos eólicos en el mar existentes. El objetivo principal de este proyecto es la modelización de un aerogenerador marino en el software Bladed, para realizar una serie de simulaciones de cargas en varios puntos del aerogenerador para diferentes casos determinados por la regulación de certificación, normas GL, como casos de carga de diseño para verificar la integridad estructural de los componentes sometidos a cargas, y la producción de energía, con unas condiciones dadas por las especificaciones del proyecto. Como características más generales del aerogenerador, se pueden destacar su diámetro de palas de 126 metros, sobre una torre con altura del buje de 92 metros sobre el nivel del mar, y una profundidad de 50 metros bajo el agua, que producirán una potencia máxima de 5kW. La modelización del aerogenerador se realizará tras unos cálculos preliminares, que detallen las distintas partes del aerogenerador, como pueden ser las palas, la torre, el sistema de control, etc. Para ello se cuenta con el apoyo de unas especificaciones previas que establecen a grandes rasgos las características del aerogenerador, y en la que se debe ir ahondando, para el posterior cálculo de los parámetros demandados por el software. Los parámetros físicos más importantes a calcular son, por un lado las inercias de los distintos elementos, que determinarán el funcionamiento aerodinámico del conjunto, siendo clave para la obtención de los pares entre los que actuará ayudado por el sistema de control. Por otro lado se buscarán los puntos óptimos de funcionamiento para el control. Está formado por un sistema de control de par, que determinará el comportamiento del aerogenerador desde el arranque hasta el punto nominal de funcionamiento, y un control de pitch, que ejercerá su acción para mantener la potencia constante cuando la velocidad del viento supere el punto nominal. Para mantener la producción constante a velocidadesmayores a la nominal se varia el ángulo pitch, ángulo en el que la pala gira sobre su propio eje, variando la característica aerodinámica de las mismas. Dado que la relación de la variación del ángulo pitch con la variación del par no es constante, se utiliza un sistema de programación de ganancia para adecuar al control las características aerodinámicas de la turbina, para buscar la mejor respuesta posible a las condiciones ambientales a las que se enfrenta. Este control variará la ganancia en función del ángulo pitch necesario para contrarrestar la acción del viento. El software también permite la obtención de ciertos valores aerodinámicos con las especificaciones generales, como puede ser el coeficiente aerodinámico de rotor, o el factor de velocidad de punta, claves para desarrollar aspectos más detallados y sensibles del aerogenerador como puede ser el sistema de control, crítico para asegurar el correcto comportamiento y respuesta del mismo frente a los distintos casos de condiciones eólicas y marinas que se estudian en este proyecto. Una vez construido el modelo completo, se procede a realizar un análisis de cargas en distintos puntos del aerogenerador, para los diferentes casos estudiados, con sus respectivas condiciones eólicas, marinas o de eventos externos o internos que le puedan ocurrir al aerogenerador a lo largo de su vida. El estudio de cargas se lleva a cabo principalmente en los siguientes puntos, al ser los más críticos en el aerogenerador: - Palas: Puesto que son los elementos críticos para el funcionamiento del aerogenerador, y reciben grandes cargas por parte del viento. - Buje: Transmite las cargas del viento de las palas al eje. Se miden las cargas tanto en un sistema de coordenadas fijo como rotante. - Sistema Yaw o de orientación del aerogenerador: Soporta todas las cargas y fuerzas relativas al giro de la góndola sobre su eje, y buena parte de las cargas del viento. - Torre, Elemento crítico y en el que se hará el estudio de cargas a fondo en este proyecto. Este análisis de cargas tiene como objetivo comprobar la resistencia del aerogenerador a todo tipo de eventos especificados en los casos. La normativa desarrolla unos métodos para la obtención de los parámetros de viento, mar y otras especificaciones, que serán aplicados a cada caso según las especificaciones del estudio, según el tipo de viento (normal, turbulento, extremo, ráfagas, cambio de dirección,…) y su magnitud, altura de la ola, fallos en los sistemas de control, red y otros fallos. Cada caso corresponde además a una situación diferente en cuanto al estado del aerogenerador. Se pueden dar casos de: - Producción - Arranque - Parada - Parada de Emergencia - Aparcado - Instalación y Mantenimiento Se realizan simulaciones y toman medidas en cada caso para rangos de tiempo especificados por cada tipo de caso de diseño, obteniendo las cargas en cada momento, según las condiciones de entrada variables. Esas cargas son adecuadas a la normativa con factores de seguridad correspondientes a cada caso de diseño.Por último se hará un análisis económico de la remuneración y costes del aerogenerador. Para calcular los costes se utiliza una guía facilitada por la NREL, y se compara con resultados de otros proyectos parciales de componentes del aerogenerador llevados a cabo con el mismo director en la escuela, para validar que los resultados obtenidos en los cálculos son correctos. En cuanto a la determinación de la remuneración, el software Bladed calcula la energía producida a lo largo de un año, y mediante métodos estadísticos de precios del mercado y producción eólica en España, se calcula la remuneración anual de la turbina para luego extenderlo a los veinticinco años de vida útil de la turbina y calcular el retorno de la inversión sobre el proyecto.

Due to the increasing energy demand in the world and the potential damage that the increase with fossil fuel generation would cause to the environment, many countries, and specially the EU are fighting against it. The EU has developed the strategy 20 20 20, which establishes European targets for 2020 to reduce by 20% of emissions, the production of at least 20% of the Total energy from a renewable source, and 20% increase in energy efficiency. Paris agreements COP 21 also show a commitment of countries to fight against emissions and environmental damage. In this context, wind energy plays a key role, generating a clean and abundant energy that already has a broad and essential role in the biggest world economies. The offshore wind is a technology with still a lot of potential, especially in production costs, which make it less competitive than the onshore. There is great possible enhancement in this technology due to the fact that it has a much larger production capacity than onshore wind and the large amount of wind resources existing in the sea. The main objective of this project is the modeling of an offshore wind turbine in the Bladed software, in order to perform a series of simulations, providing loads at different points of the wind turbine for different cases determined by certification requirements, as load cases designed to verify structural integrity of the components subjected to loads, and the energy production, with the conditions in the project specifications. The main characteristics of the wind turbine are its blade diameter of 126 meters, a hub height of 92 meters above sea level, and a depth of 50 meters under water, and a maximum production of 5kW. Modeling the wind turbine will be done by means of the preliminary calculations, detailing the various parts of the wind turbine, such as the blades, tower, control system, etc. Some preliminary specifications broadly establish the characteristics of the wind turbine, which should lead to the subsequent calculation of the parameters demanded by the software. The most important physical parameters to be calculated are, on the one hand the inertias of the different elements which determine the aerodynamic performance of the assembly, being extremely important for obtaining the aerodynamic torques among which the turbine works helped by the control system. On the other hand the optimum operating points for the control will be calculated. This control consists of a torque control system, which determine the behavior of the wind turbine from the starting point to the nominal operating point, and the pitch control, used to maintain constant power when the wind speed exceeds the nominal point. To maintain its rated power, at wind speeds greater than the nominal point, the pitch angle of the blade is changed, varying the aerodynamic characteristic of the blades, and as a consequence the output. Since the ratio between the change in the pitch angle and the torque variation it is not constant, Gain Scheduling is used to adjust the control the aerodynamic characteristics of the turbine, seeking to reach the best possible response to environmental conditions in every moment. The software also allows the calculation of certain aerodynamic parameters, in order to develop more detailed and sensitive wind turbine aspects, such as the control system,critical to ensure the proper behavior and response for the different wind and marine conditions studied in this project. Once the full model is built, we proceed to analyze of loads in different parts of the wind turbine for the load cases studied. The study of the loads is carried out mainly in the following points, being the most critical in the wind turbine: - Blades: Since they are critical to the operation of the wind turbine, and receive large loads from the wind. - Hub: Transmits wind loads of the blades to the shaft. Loads are measured both in a fixed coordinate system and a rotating system. - Yaw system or wind turbine orientation: Supports all loads and forces on the rotation of the nacelle over its axis, and the wind loads. - Tower: Critical element regarding wind and marine loads. Focus of the study will be done in this part. This load analysis aims to test the resistance of the wind turbine to all kinds of events specified in the cases. The Certification Process develops methods for obtaining parameters of wind, sea conditions and other external specifications that will be applied to each case as specified in the study, according to the wind (normal, turbulent, extreme, burst, change of address ...) and its magnitude, wave height, failures in control systems, network and other failures. Simulations time is specified for each design load case, obtaining load information for the period, according to the variable input conditions. These loads are adapted to the rules with the appropriate safety factors in each design load case. The load cases can be based on different design situations such as: - Power Production - Startup - Normal Stop - Emergency Stop - Parked - Installation & Maintenance Finally, an economic analysis of remuneration and costs of the wind turbine is carried out. Following cost guidance provided by the NREL, the cost for the different elements are calculated, and then compared with results of other project of the main components, carried out by students with the same director in this university, in order to validate that the results of the calculations are correct. Then the determination of remuneration is carried out, Bladed software calculates the energy produced over a year, and using statistical methods of market prices and wind production in Spain, the annual remuneration of the turbine is calculated. Finally this method is extended to the twenty five years of the useful life of the turbine and then the return on investment on the project is obtained.