Diseño aeromecánico de aerogeneradores eólicos de eje horizontal (HAWT’s)

Abstract

El presente trabajo propone una estrategia de cálculo aeromecánico de aerogeneradores de eje horizontal (HAWT) basada en la combinación de un módulo aerodinámico que proporciona la distribución de presiones tridimensional sobre las palas del HAWT y un módulo de cálculo estructural que utiliza las fuerzas generadas por dichas presiones para hallar la deformación de las palas y el correspondiente mapa de esfuerzos y tensiones. El módulo aerodinámico integra en una tarea de cálculo la teoría de la superficie sustentadora, la cual proporciona la velocidad incidente efectiva y el ángulo de ataque en cada sección de la pala, y un método de paneles bidimensional con el objeto de obtener la distribución de presiones a lo largo de la pala. Los datos de la distribución de presiones generada por el módulo anterior se utilizan como entrada del módulo estructural el cual consiste en un paquete de elementos finitos que calcula la deformación y los campos de esfuerzos y tensiones sobre la pala, así como la fatiga inducida en el material. El objetivo final del presente estudio y desarrollo consiste en establecer una herramienta computacional susceptible de ser utilizada para la optimización del diseño de palas de aerogenerador, atendiendo a criterios de eficiencia energética (potencia aerodinámica máxima extraíble) y resistencia estructural.

An aeromechanical calculation of Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) strategy is proposed in the present paper. Such strategy is based on the combination of an aerodynamic module, which provides the three-dimensional pressure distribution on the HAWT’s blades, and a structural module which uses such pressure forces as input data in order to compute both, blade deformation and strain and stress distributions over the blade. The aerodynamic module combines the three-dimensional non-linear lifting surface theory approach, which provides the effective incident velocity and angle of attack at each blade section, and a two-dimensional panel method for steady axisymmetric flow in order to obtain the 3D pressure distribution on the blade. Such pressure distribution constitutes the input data of the structural module, which consists of a finite element package whose output is the blade deformation and strain and stress distribution along the blade, as well as material induced fatigue. The final goal of the present development is to build a computational tool being able to deal with the optimization of a HAWT blade taking into account criteria of energy efficiency.