Aplicación de Laminados Compuestosa la construcción de Aspas de

Generadores Eólicos de Alta Potencia

Alejandro D. OteroGrupo I.S.E.P. (Investigaciones en Sistemas Energéticos Primarios)

Facultad de Ingeniería – U.B.A.

17 de Noviembre de 2006

CONFERENCIAS Y CLASES ESPECIALES EN MATERIALES COMPUESTOS

Motivación

Recurso Eólico

Componentes HAWT's

Principios de Funcionamiento HAWT's

Control de Potencia en HAWT's

Aplicación de Laminados Compuestos

Tendencias

Interacción Fluído - Estructura

Modelo de rigidez de vigas

Otras aplicaciones

Desarrollo

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Motivación

Fuente: World Wind Energy Asociation

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Recurso Eólico

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Potencia Meteorológica

Curva de frecuencias de velocidades de viento

Fuente: Vestas

Fuente: GE

Fuente: www.natwindpower.co.uk

Fuente: www.inforse.dk

Componentes HAWT's

Aplicación de Laminados Compuestos a la construcción de Aspas de Generadores Eólicos de Alta Potencia.

Fuente:Fuente: “Leading Edge Design”, “Leading Edge Design”, E. de Vries, E. de Vries, Renewable Energy Renewable Energy WorldWorld, January 2004., January 2004.

Fuente: Sandia Labs.

Componentes HAWT's - Aspas

Sources:Sources: “Wind Energy Explained”, J. F. Manw ell, “Wind Energy Explained”, J. F. Manw ell, et. al.,et. al., Wiley, 2002. // Wiley, 2002. // “Leading Edge Design”, E. de Vries, “Leading Edge Design”, E. de Vries, Renewable Energy WorldRenewable Energy World, January 2004. // , January 2004. // “Wind Pow er Today: Wind and Hydropow er Technologies Program”, National “Wind Pow er Today: Wind and Hydropow er Technologies Program”, National Renew able Energy Lab, US DOE, 2005. Renew able Energy Lab, US DOE, 2005.

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Aplicación de Laminados Compuestos a la construcción de Aspas de Generadores Eólicos de Alta Potencia.

Principios de Funcionamiento – Perfiles alares

Fuente: www.dpa.unina.it

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Aerodinámica de HAWT's

Fuente: www.aeromech.usyd.edu.au

Fuente: http://personales.ya.com/universal/TermoWeb

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Estrategias de Control de Potencia

Fuente: GE

Stall Control – Paso fijo de las aspas

Pitch Control - Paso variable de las aspas

Active Stall Control

Aplicación de MLC en aspas de rotores eólicos

Fuente: “Wind Energy Explained”, Fuente: “Wind Energy Explained”, J. F. Manwell, J. F. Manwell, et. al.,et. al., Wiley, 2002. Wiley, 2002.

Aplicación de Laminados Compuestos a la construcción de Aspas de Generadores Eólicos de Alta Potencia.

Torsión y curvaturas iniciales

Acoplamientos no convencionales

Materiales no isótropos

Secuencia de laminado

Sources:Sources: ::“Wind Pow er Today: Wind and Hydropow er “Wind Pow er Today: Wind and Hydropow er Technologies Program”, National Renew able Energy Technologies Program”, National Renew able Energy Lab, US DOE, 2005.Lab, US DOE, 2005.

Tendencias

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Tendencias

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Fuente: LM Glasfiber

Source: “REpower 5M Technical Brochure”, REpower Systems AG, 2005.

Non-dimensional vorticity field of a no synchronized pattern wake at Re=140

Non-dimensional vorticity field of a hyper-Non-dimensional vorticity field of a hyper-Kármán vortex-street at Re=140Kármán vortex-street at Re=140

Comparison of a flow visualization at Re=100 by M. M. Zdravkovich with a grayscale plot of

the vorticity field produced by the KLE

Interacción Fluido - Estructura

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Modelo de Cálculo de la Interacción Fluido - Estructura

Modelo de sólidos unidimensionales - Vigas Modelo de fluidos - KLE

Cálculo de las geometrías

Cálculo de las solicitaciones

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Características Vigas

Evo

luci

ón t

emp

oral

Condiciones iniciales y de contorno

Pre

calc

ula

do

•Secciones No Homogéneas•Torsión y Curvaturas Iniciales•Grandes Desplazamientos y Rotaciones•Línea de Referencia Arbitraria

Cinemática de la sección

Vectores baseMétricaTernas de referenciasTensor Gradiente DeformaciónTensor de Deformaciones (Lagrangeano) de Jaumann-Biot-Cauchy

3D 1D≡ Energía de Deformación

Reducción del problema

Modelo de Rigidez de Vigas

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Tensor de Deformaciones de Jaumann – Biot - Cauchy

Pequeñas deformaciones y rotaciones locales

Considerando la cinemática de las vigas

Modelo de deformación de la sección

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Energía de deformación de la sección o densidad de energía

Discretización de los alabeos por MEF

Un Modelo de Rigidez de Vigas para Secciones No Homogéneas y Grandes Desplazamientos – Otero, Ponta, Jacovkis – F.I.U.B.A.

Modelo de deformación de la sección

Restricciones sobre los alabeos

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Solución de los alabeos

Componente de orden cero

Componente de primer orden

Un Modelo de Rigidez de Vigas para Secciones No Homogéneas y Grandes Desplazamientos – Otero, Ponta, Jacovkis – F.I.U.B.A.

Modelo de deformación de la sección

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Energía de deformación de la sección

Expresión en las medidas de deformación de la Teoría de Timoshenko

Expresión en las medidas de deformación de la Teoría de Bernoulli

Modelo de deformación de la sección

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Transformación de la expresión de la energía de deformación de la sección

Sistema de ecuaciones

Modelo de deformación de la sección

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Expansión de las soluciones

Componentes de orden 1

Componentes de orden 0

Modelo de deformación de la sección

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Discretización por el Método de Elementos Finitos

CondensaciónMejor número de condición

Otros métodos usan

•Autovectores

•Pseudoinversa de Moore - Penrose

No CondensablesCálculo de Autovectores: alto

costo computacional

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Experimentación Numérica

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Experimentación Numérica

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Conclusiones del Modelo de deformación de la sección

variables equivalentes a las de la teoría de Timoshenko

asintóticamente correcto

apto para grandes desplazamientos y rotaciones, secciones no homogéneas sin

hipótesis restrictivas sobre el modo de deformación de la sección (libre alabeo)

Fuente: Marine Current Turbines ltd.

Otras aplicaciones

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