Comportamiento dinámico no-lineal de una turbina eólica sometida a la acción cargas aerodinámicas periódicas

Abstract

En este trabajo se presenta el desarrollo de simulaciones numéricas que permiten estudiar los aspectos que caracterizan la respuesta dinámica no-lineal de la estructura de una turbina eólica de eje horizontal sometida a la acción de las cargas aerodinámicas que actúan sobre el rotor. En la primera parte de este trabajo se derivan las ecuaciones de movimiento usando las ecuaciones de Lagrange, considerando restricciones del tipo no-holonómicas que son incorporadas de forma explicita a través de la introducción de multiplicadores de Lagrange. El modelo numérico incluye: (i) las palas que conforman el rotor de la turbina eólica, (ii) la barquilla, y (iii) la torre o estructura portante. Se considera a las palas como un conjunto de múltiples cuerpos rígidos vinculados perfectamente entre sí en el cubo o nariz del rotor. La barquilla y la torre se modelan como cuerpos con parámetros concentrados, incluyéndose la inercia rotacional de estos dos componentes. Las cargas aerodinámicas provenientes de la acción del viento sobre las palas que conforman el rotor se modelan como una carga distribuida de forma espacialmente invariante y con una magnitud variable en el tiempo. Los factores que gobiernan el cambio en magnitud de las cargas aerodinámicas son: (i) la velocidad de rotación del rotor y (ii) la variación de la velocidad del viento en altura por efecto de la rugosidad del terreno (presencia de la capa límite terrestre). Además de las cargas aerodinámicas, se consideran las cargas provenientes del amortiguamiento electromagnético, y de un momento de control proveniente del generador eléctrico. Este último es comúnmente utilizado como parámetro de control de la velocidad de rotación del rotor.