Cálculo de cargas aeroelásticas

Competencia fundamental, tanto para el estudio de viabilidad de parques eólicos como para el desarrollo de nuevos aerogeneradores, de aplicación onshore y offshore.


Período

2011-2023

Sector

Energía Eólica

Servicio

Cálculo de cargas en parques eólicos y en aerogeneradores onshore y offshore

CONTEXTO

El gran volumen de aerogeneradores instalados en la actualidad y la fuerte apuesta que todos los países están haciendo por la energía eólica, tiene como consecuencia que los emplazamientos en los que es posible instalar los aerogeneradores sean cada vez más escasos y, al mismo tiempo, más exigentes.

Por ello, cada nuevo diseño conlleva un importante esfuerzo económico y humano de rediseño, análisis y verificación dirigido a encontrar la solución óptima a través de un proceso que engloba una gran cantidad de disciplinas y profesionales de diferente formación.

Los fabricantes de aerogeneradores buscan dar una respuesta al promotor del parque eólico sobre la viabilidad de la instalación de un modelo de aerogenerador en su emplazamiento a la mayor brevedad posible y con la máxima seguridad.

En muchas ocasiones, el aerogenerador validado para su instalación en un parque eólico no funciona de la manera esperada y puede presentar problemas como grietas en componentes, altas vibraciones o alto número de paradas que traen asociado un alto coste para el promotor, bien por el reemplazo de componentes dañados antes del final de su vida útil o por una pérdida de producción considerable.

Teniendo en cuenta la elevada inversión que supone la instalación de un parque eólico y la enorme competencia que hay entre fabricantes, es de suma importancia el asegurar, no sólo la viabilidad del aerogenerador a instalar, si no que las prestaciones de este son las mejores del mercado. Por ello, se vuelven a evaluar proyectos ya vendidos buscando un aumento de su producción y/o extensión de vida.

SOLUTE trabaja con sus equipos de ingeniería en el desarrollo de nuevas configuraciones con el objetivo de ajustarlos a nuevos, distintos y cada vez más exigentes, escenarios de operación. Por otro lado, estos equipos de ingeniería también trabajan en los estudios de viabilidad que son necesarios llevar a cabo previos a la instalación de un parque eólico bajo condiciones específicas de emplazamiento, tanto onshore como offshore. Asimismo, también se llevan a cabo reanálisis en fase de operación y mantenimiento con el objetivo de mejorar el rendimiento del aerogenerador.


RESULTADOS

Como resultado final del proceso se logra el modelo aeroelástico en sí mismo que se utilizará como base para la certificación de nuevos aerogeneradores, así como para la validación de parques eólicos.

Basándose en todas las tablas y comparativas, así como en los informes de resultados y documentos de validación, será posible determinar la viabilidad del proyecto.

EXPERIENCIA

SOLUTE tiene una extensa experiencia en la simulación de cargas aeroelásticas, tanto para el desarrollo de nuevos modelos de aerogenerador como para la validación de modelos ya existentes bajo condiciones específicas de emplazamiento, de aplicación en entornos onshore y offshore

Los aerogeneradores se encuentran expuestos a la acción del viento, o del viento y del mar, sobre su estructura, lo que provoca una suma de fuerzas y momentos sobre la misma. A este conjunto de fuerzas y momentos se le denomina cargas aeroelásticas.
A través de modelos aeroelásticos que definen el aerogenerador desde un punto de vista estructural y aerodinámico, el cálculo de cargas consiste en cuantificar las fuerzas y momentos que sufre la estructura durante su exposición a todas las condiciones de viento, o viento y mar, y de operación a lo largo de la vida útil del aerogenerador.
El objetivo es asegurar la seguridad, la integridad estructural de los componentes que conforman la turbina eólica, así como su correcto funcionamiento.

METODOLOGÍA

Bladed, Flex5, HAWC2 o FAST son códigos de cálculo para la creación de modelos aeroelásticos que representan en simulación el comportamiento de un aerogenerador y muestran su respuesta en el dominio del tiempo. La base teórica de todos estos códigos es la teoría del elemento de pala (BEM). Con arreglo a las propias exigencias comerciales de algunos fabricantes, SOLUTE ha contribuido en la traducción de modelos entre distintos códigos. Esto supone conocer en detalle la formulación y definición con la que cada código trabaja y, con ello, poder equiparar los resultados obtenidos con cada uno de ellos validando así los distintos planteamientos bajo estudio.

La definición de casos de carga a simular para cubrir todos los escenarios de funcionamiento que pueden presentarse durante la vida de operación del aerogenerador viene establecida por las normativas IEC 61400-1 e IEC 61400-3.

Para la creación de un modelo aeroelástico de un aerogenerador, se trabaja con los distintos componentes que lo definen, como son la cimentación o subestructura, la torre, la góndola (nacelle) y tren de potencia, el rotor y las palas. Entre otros, los parámetros que intervienen son: dimensiones geométricas de cada sección de torre y subestructura, así como su distribución de masa, módulos característicos de los materiales utilizados, dimensiones geométricas de buje y nacelle, distribución de masas y rigideces, inercias, coeficientes aerodinámicos, definición geométrica de la pala y polares de los perfiles aerodinámicos.

Por otro lado, ciertos ajustes de control son necesarios para el desarrollo de nuevas configuraciones de aerogenerador. Para ello, se comprueban aquellos parámetros de funcionamiento, nominales y máximos permitidos, bajo los cuales la máquina debe estar trabajando. Con determinados análisis estadísticos globales, así como evaluaciones en detalle de series temporales concretas, puede determinarse si el funcionamiento del control y la máquina son los adecuados o, por el contrario, insistir en determinados ajustes para conseguirlo.

En este mismo sentido, se llevan a cabo análisis de frecuencias propias a partir de diagramas de Campbell verificando márgenes existentes entre frecuencias naturales y frecuencias de excitación y considerando los resultados obtenidos como parte del ajuste del control según los modos analizados y la contribución de modos desacoplados.

Por razones comerciales, de fabricabilidad o de logística, pueden ser requeridos ciertos rediseños de componentes concretos, pero no así, un diseño nuevo del modelo en su totalidad. Por ello, con el modelo previo de base y considerando estos nuevos componentes rediseñados, se realizan estudios de cargas completos donde el fin último es el de comparar resultados previos con los actuales y verificar que todos los componentes, tanto los de nuevo diseño como aquellos originales que pudieran estar afectados por dicho cambio, siguen cumpliendo con los admisibles establecidos. Igualmente, en numerosas ocasiones se requieren análisis de sensibilidad en referencia a ciertos parámetros de la máquina.

Dentro de las relaciones comerciales que el fabricante de aerogeneradores tiene establecidas con sus clientes, uno de los principales aspectos de consideración está relacionado con la curva de potencia suministrada. En este campo, es necesario generar un gran volumen de simulaciones que cubra todos los posibles escenarios de operación de la máquina.

Adicionalmente, el cálculo de cargas es ampliamente requerido para evaluar si el producto analizado cumple con las especificaciones de un emplazamiento específico. Para ello, deben considerarse todas aquellas características particulares que definen la localización que se encuentra bajo estudio. Dentro de estas características se incluyen la definición del viento, la caracterización de las condiciones de mar si es un emplazamiento offshore, la caracterización del terreno en un emplazamiento onshore y la distribución o layout de los aerogeneradores dentro del parque eólico a analizar.

Muchas veces la motivación que provoca dichos estudios está relacionada con el nivel de viento y las características del aire que definen la clase para la cual la máquina ha sido diseñada. Puesto que existe la posibilidad de que los componentes mecánicos y estructurales que constituyen el aerogenerador tengan unos regímenes de funcionamiento, envolventes o admisibles por encima de lo que está considerado en diseño, se realizan multitud de análisis con la intención de verificar si, aun estando por encima de alguna de las condiciones de diseño, hay cierto margen en los componentes que permite poder instalar el aerogenerador en la localización deseada.

En la ejecución de este tipo de estudios, se lleva a cabo la preparación y creación de ficheros de viento y casos de carga. Los primeros contendrán, principalmente, la información relativa a la velocidad y turbulencia del viento. Los casos de carga o simulaciones se generan bajo normativa IEC y tienen en cuenta las condiciones de viento y mar y las condiciones de operación. Estas simulaciones representarán todas las posibles situaciones a las que se enfrentará el aerogenerador en su vida útil.

Una vez preparados y simulados los casos de carga, se obtienen como resultado las series temporales, es decir, la representación de las cargas y variables de funcionamiento a lo largo del tiempo. El tratamiento de estos resultados consiste, por un lado, en el conteo de ciclos por el método Rainflow con la obtención de los resultados de fatiga (daño en la estructura) y, por otro lado, en el cálculo de cargas máximas/mínimas en relación con los resultados de última.

Estos postprocesos son también efectuados bajo la normativa vigente a cumplir y sirven para cuantificar las fuerzas y momentos que sufre la estructura durante su exposición a todas las condiciones de viento, mar y operación a lo largo de la vida útil del aerogenerador. Inmediatamente después de extraer los resultados, se realiza una evaluación y comparativa frente a valores de referencia que tiene como objetivo asegurar la seguridad e integridad estructural de los componentes que constituyen la turbina, así como su correcto funcionamiento.

Los resultados se obtienen en distintos puntos o sensores del modelo que vienen a ser una representación del componente que ocupa dicha posición. Esto permite concluir cuál será la vida de tornillos, rodamientos, multiplicadora, etc., así como la carga extrema que los distintos componentes experimentarán. Los ingenieros de SOLUTE se enfrentan diariamente a diversas herramientas de postproceso, así como de cálculo y análisis de componentes, lo que implica conocer en profundidad el papel que juegan las cargas equivalentes, LDD, matrices de Markov, factores de utilización o cargas límite.

Adicionalmente, puede ser objeto de estudio intentar extender la vida útil del aerogenerador más allá de los años inicialmente previstos. Además, es habitual la implementación de estrategias que, por un lado, permitan la instalación del parque con cierta penalización asumible en la producción anual de energía (AEP) y, por otro, permitan extender la vida con una serie de tareas extra de mantenimiento desde inicio planificadas. De igual forma, es frecuente analizar cuál es el impacto en cargas que suponen cambios en las estrategias de control.

Eólica

Gestión de campañas de medición

Diseño y gestión de campañas de medidas meteorológicas para plantas renovables, tanto de energía eólica como solar

Automoción

Protección de peatones

Desarrollo CAE de la carrocería de un automóvil para optimizar su diseño y así evitar o minimizar las lesiones producidas al peatón en un potencial impacto.