Pruebas de canal para turbinas eólicas flotantes

Las pruebas de modelo en un canal hidrodinámico es un proceso complejo y que se usa comúnmente para probar diseños de embarcaciones y estructuras marinas a gran escala por la industria del petróleo y el gas, el ejército y las industrias del ámbito naval.

Una prueba hidrodinámica del modelo es ideal, ya que requiere menos tiempo, recursos y riesgo que una prueba a gran escala, al tiempo que proporciona datos reales y precisos sobre la respuesta global del sistema. Sin embargo, a pesar de que las pruebas de canal están bien refinadas para muchos tipos de configuraciones offshore, no se ha establecido un protocolo para modelar adecuadamente las cargas acopladas de viento y olas en una turbina eólica en un ambiente de las pruebas.

Las turbinas eólicas flotantes son estructuras complejas con numerosas variables que contribuyen a su complicado comportamiento dinámico. La carga simultánea de vientos y olas, la aerodinámica de la turbina y los componentes estructurales flexibles hacen que la ejecución de una prueba de modelo a escala sea un desafío significativo. A pesar de las dificultades antes mencionadas, se han llevado a cabo algunas pruebas selectas de modelos de turbinas eólicas flotantes. Principle Power, Inc. probó una plataforma de turbina eólica semisumergible WindFloat a escala 1/67. En 2006, Hydro Oil & Energy realizó una prueba modelo a escala 1/47 de una turbina eólica flotante spar-huoy de 5 MW en el Laboratorio de Tecnologías Marinas, Marintek en Trondheim, Noruega (actualmente SINTEF). Estas pruebas con modelos proporcionaron información valiosa a los desarrolladores y un conocimiento avanzado de la dinámica de las turbinas eólicas flotantes. Sin embargo, las metodologías y técnicas utilizadas durante estas pruebas difirieron significativamente, y no todos los detalles de las mismas se han presentado de forma exhaustiva públicamente. Por lo tanto, existe una clara necesidad de una metodología de prueba de modelo completa y unificada para las pruebas a escala de Froude de las turbinas eólicas flotantes.

A continuación se presenta el método para realizar pruebas combinadas de modelos en combinación de viento/oleaje de aerogeneradores flotantes en condiciones escalables por la variable de Froude. Los temas cubiertos incluyen relaciones de escalado, técnicas de generación eólica y cuestiones relacionadas con la fuerte dependencia del comportamiento aerodinámico de la turbina eólica en el número de Reynolds.

Metodología:

Para establecer una metodología de dimensionamiento para los modelos, se debe seleccionar un conjunto particular de reglas y restricciones. Los criterios de modelo recomendados empleados para el modelado de turbinas eólicas marinas flotantes son los siguientes:

La similitud del número de Froude se emplea de prototipo a modelo. Las pruebas en el canal de oleaje se realizan normalmente usando el número de Froude y la similitud geométrica. Aunque un modelo de Froude no escala todos los parámetros de forma adecuada, los factores dominantes en el problema hidrodinámico, la gravedad y la inercia se escalan adecuadamente. Para una turbina eólica flotante, cubre la mayoría de las propiedades de interés que influyen en la respuesta dinámica global del sistema, exceptuando las fuerzas aerodinámicas del viento.

Fr = C/√gL

donde C es la velocidad de la ola o la velocidad de propagación, g es la aceleración de la gravedad, y L es la longitud característica. La relación de escala del modelo ha prototipo real se expresa como:

Fr_m=Fr_p

(p y m) representan prototipo y modelo, respectivamente.

El viento a escala de Froude se emplea durante la prueba del modelo. Si las características aerodinámicas de la turbina son insensibles al número de Reynolds, entonces se mantiene la relación entre la fuerza del viento y la fuerza de la onda desde el prototipo hasta la escala del modelo al utilizar el viento según Froude, definido como

Fr = U/√gL

donde U es la velocidad del viento. La longitud característica L es la misma para los números de viento y de onda de Froude. Una forma alternativa pero consistente de representar el viento a escala de Froude es mantener la relación entre la velocidad del viento y la de la ola desde el modelo hasta la escala completa. Esta relación se identifica por la variable Q y se representa como

Q = U/C

se mantendrá la relación de velocidad punta de la turbina eólica (TSR) del prototipo al modelo. TSR se calcula como

TSR = Or / U

donde O es la velocidad de rotación del rotor y r es el radio de la pala. El mantenimiento de TSR entre el prototipo y el modelo se realiza satisfaciendo la relación

TSR_p = TSR_m

El mantenimiento de TSR garantiza que la velocidad de rotación de la turbina, así como las frecuencias de excitación del sistema resultantes del desequilibrio del rotor o de la interacción aerodinámica con la torre, poseerán la frecuencia correcta. Además, mantener TSR producirá las fuerzas de empuje de la turbina y el par del rotor adecuadamente combinados con un entorno de viento a escala de Froude, suponiendo una baja dependencia del número de Reynolds para los coeficientes de elevación y resistencia de la sección aerodinámica de la turbina eólica.

Dicho esto, las relaciones de escalado anteriores se utilizan para obtener los factores de escala que se muestran en la tabla para caracterizar una turbina eólica flotante a escala. Los factores de escala son una función del parámetro de escala 1, que se define como la relación de escalas de longitud entre el prototipo y el modelo.

Parámetro	Factor de escala
Longitud (desplazamiento, altura de ola)	X
Área	X2
Volumen	X3
Angulo	1
Densidad	1
Masa	X3
Tiempo (Periodo de ola)	X0.5
Frecuencia	X-0.5
Velocidad	X0.5
Aceleración	1
Fuerza (viento, olas, etc.)	X3
Momento (torque, estructura, etc.)	X4
Potencia	X3.5
Modulo de Young	X
Tensión	X
Mom. Inercia masa	X5
Mom. Inercia área	X4

Los factores de escala en la tabla se emplean para crear especificaciones del modelo para la turbina eólica NREL de 5-MW y OC3.

Source:

Heather R. Martin, Richard W. Kimball, Anthony M. Viselli and Andrew J. Goupee. Methodology for Wind/Wave Basin Testing of Floating Offshore Wind Turbines.Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering. 2012