Implementación del método de actuador de disco para la simulación de un parque eólico en NEK5000

Abstract

El presente trabajo de título denominado “Implementación del método de actuador de disco para la simulación de un parque eólico en NEK 5000” tiene como objetivo general implementar y validar la implementación del método de actuador de disco en NEK5000 y estudiar el efecto de la variación del espaciamiento entre filas de un parque eólico. Para esto, se plantea en primer lugar el objetivo de obtener ciertos perfiles de velocidad en el plano central de un túnel de viento y validarlos mediante una comparación con resultados de un estudio previo, tanto para simulaciones de una única turbina, como para simulaciones de un parque eólico. Y, en segundo lugar, el objetivo de obtener los coeficientes de potencia de un parque eólico y de un parque eólico con el espaciamiento entre filas modificado y compararlos. El estudio previo utilizado para la comparación de resultados, o artículo base, se denomina: “Comparison of wind farm large eddy simulations using actuator disk and actuator line models with wind tunnel experiments” y fue publicado en 2018 por Richard J.A.M. Stevens, Luis A. Martínez-Tossas y Charles Meneveau. En este, se realizan simulaciones de una turbina única y de un parque eólico utilizando tanto el método de actuador de disco, como el de actuador de línea, el cual corresponde a un método similar para representar una turbina. En el artículo, se comparan los resultados obtenidos mediante estos dos métodos con resultados experimentales de un estudio de túnel de viento llevado a cabo por Chamorro y Porté-Agel en 2010. La metodología de este trabajo consta de tres etapas principales: Simulación de una turbina única y validación de los resultados, simulación de un parque eólico y validación de resultados y, por último, simulación del parque eólico con filas espaciadas y análisis de resultados. Para la realización de las simulaciones se utiliza el código de elementos espectrales denominado “NEK5000”. Los resultados tanto para la simulación de una única turbina, como para la simulación del parque eólico son similares a los obtenidos en el artículo base, pero con algunas diferencias que se deben, probablemente, al modelo de turbulencia utilizado. En este trabajo, se utiliza un modelo de turbulencia RANS k-τ, mientras que en el artículo base se utiliza un modelo de turbulencia LES, modelo que capta de mejor manera la turbulencia presente en los fenómenos. Así, si bien los resultados difieren en algunos valores, sí se observa que tanto las formas de los perfiles obtenidos, como el valor promedio en torno al que estos se mueven coincide, quedando validada la implementación del método de actuador de disco con el modelo de turbulencia RANS k-τ. En cuanto al efecto del aumento del espaciamiento entre las filas de turbinas, se obtiene que aumentando al doble el espaciamiento, hay un aumento de los coeficientes de potencia de un 6,24% en promedio, pero una disminución de la potencia adimensional por unidad de área de 2,37 (1/m^2) a 1,33 (1/m^2). Y con ello se concluye que, si el aumento en la producción energética trae un beneficio mayor al costo de aumentar el espacio utilizado por el parque, entonces será conveniente considerar un mayor espaciamiento entre las filas de turbinas.