Simulación del campo de vientos y de la interacción entre aerogeneradores

Abstract

La energía eólica ha tenido una gran expansión en las últimas décadas a nivel mundial. En Uruguay se ha dado en los últimos años un cambio relevante en este sentido, constituyéndose la energía eólica como una de los principales fuentes de cambio de la matriz eléctrica nacional. Este importante desarrollo se ha visto acompasado por avances tecnológicos relevantes, que se ponen de manifiesto en un incremento de la altura de buje, del diámetro del rotor y de la potencia unitaria. Esto implica, entre otras cosas, que la zona de interés de la capa límite atmosférica barrida por los rotores de aerogeneradores actuales alcanza una mayor altitud y se encuentra más lejos de la superficie, resultando más relevante la influencia de variables atmosféricas, como intensidad de turbulencia y gradiente vertical de la velocidad. La simulación de grandes vórtices (Large Eddy Simulation, LES) junto a la representación de los rotores de aerogeneradores mediante estrategias del tipo disco actuador representan el estado del arte en la simulación del campo de vientos con presencia de aerogeneradores. La presente tesis busca dar un primer paso en la generación de una herramienta que permita simular numéricamente el problema de interés con este enfoque, partiendo de un código de mecánica de los fluidos computacional abierto, desarrollado por el Grupo de Mecánica de los Fluidos Computacional de la Facultad de Ingeniería (Universidad de la República), dotándolo de las capacidades para representar la presencia de aerogeneradores y la interacción entre estos. Se han implementado modelos del tipo disco actuador, Actuador Disk Model with Rotation (ADM-R) y Actuator Line Model (ALM), para representar los rotores en el dominio. Estos modelos permiten representar el rotor a un costo computacional admisible, captando las principales características del flujo en la estela generada así como su performance. Se ha validado la herramienta desarrollada a partir de casos de estudio reconocidos internacionalmente, contemplando distintas condiciones del flujo y de operación. Se ha estudiado un aerogenerador aislado y dos aerogeneradores en línea y con desfase lateral bajo flujo uniforme sin componente fluctuante en la entrada, así como flujo tipo capa límite atmosférica (CLA) en la entrada con presencia de un aerogenerador. Cabe señalar que se han utilizado resoluciones más gruesas y pasos temporales mayores que lo generalmente recomendado para el ALM, encontrando resultados aceptables en líneas generales. Se han realizado las simulaciones numéricas en el marco de LES, para lo cual se han complementado las capacidades existentes en el código caffa3d.MBRi en lo que atañe a modelos de cierre de LES y modelos de rugosidad superficial para simular la CLA, implementando respectivamente un nuevo modelo dinámico que considera dependencia con la escala del parámetro, obteniendo mejores resultados en líneas generales, y modelos del tipo ley de pared reformulando el enfoque del tratamiento de este aspecto en el código. En base a lo expuesto, se considera que se ha alcanzado el objetivo de la tesis, al desarrollar una herramienta que permite simular numéricamente el campo de vientos y la interacción entre aerogeneradores.