Trabajo de investigación: Diseño y aplicaciones de una turbina eólica de eje horizontal

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– Cargas aerodinámicas constantes con una velocidad de viento y fuerzas centrífugas uniformes, son cargas independientes del tiempo y en estado de equilibrio, siempre y cuando el rotor está funcionando a una velocidad constante.

– Un flujo de aire que es constante, pero espacialmente no uniforme sobre el área de barrido del rotor causa cambios cíclicos de carga sobre el rotor de rotación. Esto incluye, en particular, el flujo irregular hacia el rotor debido al aumento en la velocidad del viento con la altura, un flujo cruzado hacia el rotor y la interferencia debido al flujo alrededor de la torre y sombreado de la torre.

– Las fuerzas de inercia debido al peso muerto de las palas del rotor también causan cargas que son periódicas e inestables. Por otra parte, las fuerzas giroscópica producidas cuando el rotor se está orientado también deben ser incluidas.[2]

[pic 6]

Figura 2.1 Efecto de la carga aerodinámica, gravitacional e inercial del rotor en una turbina eólica de eje horizontal

- Cargas extremas

Uno de los problemas que tienen los ingenieros y trabajadores en el área de la planeación de parques eólicos son los vientos extremos. Las fuerzas de Huracanes son típicas de países que están cerca de la zona ecuatorial o con aguas bordeando sus costas extremadamente cálidas, y este fenómeno es el causante de daños severos en estos países. Algunos planificadores de parques eólicos evitan este fenómeno tratando de diseñar los parques eólicos en lugares alejados de estos sitios (problemáticos), pero, en algunos países hacer esto es realmente una posibilidad bastante baja.

Las turbinas eólicas deben ser diseñadas para operar en ambientes muy estocásticos para el menos 20 años. En adición con el ciclo natural de cargas inducidas por los mismos efectos inerciales de la estructura, las cargas también son provocadas por cambios temporales en las velocidades de viento, dirección y verticidad y esto ha sido un reto para los diseñadores de estas máquinas por mucho tiempo. [3]

Los fenómenos más peligrosos que existen en la clasificación de vientos extremos son los Huracanes y las tormentas tropicales. Muy pocos diseñadores de aerogeneradores hacen sus productos para que resistan un evento de estas categorías, debido a la poca demanda que tienen, y principalmente a los elevados costos de construcción.

Los Huracanes se clasifican según la escala Saffir-Simpson (Tabla 3.1) en orden de su velocidad.

Categoría de Huracanes

Rango de Velocidades Km/h

1

119-153

2

154-177

3

178-209

4

210-249

5

>249

Tabla 3.1 Clasificación de huracanes de acuerdo a su velocidad

En la gran mayoría de los proyectos de planificación de parques eólicos es normal evitar para la instalación de estas máquinas los sitios que pudieran tener influencia de estos fenómenos meteorológicos extremos, pero la realidad es que existen países que desean introducir la tecnología de generación de electricidad con máquinas eólicas donde es imposible evitar zonas de riesgo.

Análisis de cargas máximas

El análisis de cargas viene dado por la determinación de las distintas presiones que afectan al aerogenerador, y estas se dividen en 3:

1. Análisis de las cargas estáticas sobre la estructura.

2. Análisis de las cargas dinámicas sobre la estructura.

3. Análisis de la carga total sobre la estructura.

1. Análisis de las cargas estáticas sobre la estructura

Cuando se tengan observaciones directas de las velocidades básicas del viento, se podrán calcular las presiones básicas características del viento en una superficie normal a su dirección, mediante la ecuación:

[pic 7](1)

Donde:

q10 presión básica característica del viento correspondiente a velocidades del aire en terrenos llanos y abiertos a una altura de 10 m sobre el terreno, (kN/m2).

V10 velocidad característica del viento para un período básico de recurrencia y a una altura de 10 m sobre el terreno, (m/s).

En muchas ocasiones la data histórica de vientos registrados en el paso de un evento de este tipo no existen pero este valor de q10 es también característico de cada región con que se trabaje.

2. Análisis de las cargas dinámicas sobre la estructura

La componente dinámica de la carga de viento es necesaria considerarla en el cálculo de todas las construcciones. Sin embargo, teniendo en cuenta los resultados alcanzados en investigaciones desarrolladas en diferentes países, se puede concluir que:

La componente dinámica de la carga de viento debe ser considerada en obras y estructuras con periodos de oscilaciones propias de T= 1,0 s, como ocurre en: torres, chimeneas, postes de transmisión, mástiles; en edificios altos y por lo tanto son los aerogeneradores estructuras que también corresponden a esta categoría especial.

Los valores normativos de la componente dinámica de la carga de viento deben determinarse para cada forma de oscilación de la obra a partir de un esquema de fuerzas inerciales aplicadas sobre las masas concentradas en las cuales se haya subdividido la obra según el método adoptado quedando la ecuación de las cargas dinámicas que actúan sobre la estructura de la siguiente forma:

[pic 8](kN/m2) (2)

Donde:

QD : Carga dinámica sobre la estructura

M j: (j) ésima masa concentrada en kg en cada uno de los componentes de la estructura.

[pic 9]: Coeficiente dinámico en cada nodo (i).