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:
Frm=Frp
(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
TSRp =
TSRm
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
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