Estimación de la distribución de viento en el rotor de aerogeneradores de eje horizontal basada en las cargas medidas en raíz de pala

Abstract

Los aerogeneradores aprovechan la energía cinética del viento para producir electricidad. De este modo, la distribución del viento incidente sobre el rotor es un aspecto que condiciona en gran medida la utilidad de estas máquinas. Debido a diferentes factores, el módulo de la velocidad del viento y la dirección del mismo no es uniforme en toda la superficie del rotor. Este trabajo pretende estimar la distribución de la velocidad de viento, en las direcciones vertical y horizontal, que incide sobre el rotor de un aerogenerador de eje horizontal. Para ello, en lugar de realizar medidas directas del viento en diferentes posiciones del rotor, se llevarén a cabo medidas indirectas para relacionarlas con la distribución de viento a través de modelos matemáticos. Para realizar dichas medidas se emplearán galgas extensiométricas situadas en la raíz de las palas del aerogenerador con las que se medirán deformaciones. A través de modelos estructurales se podŕan estimar las cargas de flexión que sufren las palas en su raíz. Utilizando a su vez modelos aerodinámicos de los perfiles de las palas junto con mediciones del ángulo de pitch y la velocidad angular de las palas, será posible estimar la distribución de velocidades de viento incidente en el rotor. La implementación de los modelos matemáticos se realizará con Matlab. Primero se considerarán múltiples estados del viento para formar un modelo que relacione las cargas con el campo de viento. Después, con las cargas en las palas generadas por un estado de viento específico, se estimarán los parámetros que definen ese campo de viento.

Wind turbines take advantage of the kinetic energy of the wind to generate electricity. In this way, the in-flow distribution at the rotor disk is an important aspect that conditions the usefulness of these machines. Due to different factors, the wind speed vector is not uniform over the entire surface of the rotor. This work aims to estimate the parameters of the wind state, in vertical and horizontal directions, that affects the in-flow in a horizontal axis wind turbine. Instead of making direct measurements of the wind in different positions of the rotor, an indirect measurement will be carried out to relate the distribution of wind through mathematical models. We will use strain gauges located at the root of the wind turbine blades to measure the strain. Through structural models, the bending loads suffered by the blades at their root can be estimated. Moreover, using aerofoils with the control of the pitch angle and the angular velocity of the blades, it will be possible to estimate the in-flow wind states at the rotor. The implementation of the mathematical models will be done with Matlab. First, we will consider a multiple wind states to obtain a wind turbine model. After that, with the blade loads generated by a specific wind state, we will estimate the wind parameters.