Implementación del método de actuador de línea para la simulación de turbinas eólicas usando NEK5000

Abstract

Debido a la baja densidad de potencia del viento, se requiere de parques eólicos completos con turbinas de gran escala para aprovechar lo más posible la energía del viento. En un parque eóli- co, las turbinas generan una estela turbulenta cuando el viento las atraviesa, por lo que alteran las condiciones de operación de otras turbinas que entran en contacto con esta estela, disminuyendo dramáticamente la potencia generada. Por lo anterior, existe la necesidad de estudiar la estructura de la estela, que es lo que motiva este trabajo. El objetivo general del trabajo consiste en estudiar el comportamiento de la estela de una tur- bina eólica utilizando dinámica de fluidos computacional y el método de actuador de línea, bajo diferentes condiciones de operación. Por otra parte, los objetivos específicos son determinar una configuración de referencia a simular, implementar el método de actuador de línea, comparar lo obtenido en la implementación con datos reales de referencia de la misma configuración, y final- mente utilizar las simulaciones para analizar el comportamiento cualitativo de la estela. Para llevar a cabo el trabajo se utilizaron como base experimentos sobre una turbina a escala en un túnel de viento realizados en la NTNU, tanto para la configuración a estudiar como para comparar los resultados obtenidos en primera instancia, mientras que la malla y los parámetros de operación se determinaron usando el desempeño de la turbina y el comportamiento general de la estela en paralelo, refinando según en el comportamiento de ambos. Con el método implementado, se obtuvieron las curvas de desempeño de la turbina, se analizó la estela producida en 3 razones de velocidad de punta, asemejandose a los casos en los que la turbina está a punto de detenerse, en condiciones óptimas y a punto de salirse de control, y final- mente se comparó la implementación con el método de actuador de disco. Los resultados obtenidos permitieron formar las curvas de desempeño y analizar los perfiles de velocidad y estructuras de vorticidad formados en la estela, que son consistentes con lo esperado, pero presentan diferencias respecto al caso real, en donde se sobreestima el torque y el empuje por un error constante (espe- cíficamente 0.03 en el caso del torque), mientras que la estela producida está mejor definida para razones de velocidad bajas. Por otra parte, en la comparación con el método de actuador de disco, los resultados entre ambos métodos son muy similares incluso con la ausencia del centro del rotor y de rotación de la estela en uno de ellos. En general, los resultados obtenidos son prometedores, en especial para razones de velocidad bajas.