Aerodinámica de generadores eólicos aerotransportados que operan a gran altitud

Abstract

Recientemente, un nuevo paradigma asociado a la generación de energía a partir del aire en movimiento ha surgido como alternativa a la generación clásica de energía por medio de turbinas eólicas. Esta nueva tecnología, denominada Airborne Wind Energy (AWE), consiste de dispositivos de generación aerotransportados conectados a una estación terrestre que “cosechan” energía eólica a grandes alturas. Su evolución se ha visto impulsada por su prominente capacidad de producir energía a bajo costo, a una altura donde las corrientes de aire son más fuertes y estables. Si bien diversas instituciones públicas y privadas alrededor del mundo han presentado sus propios diseños fundados en conceptos AWE, esta tecnología se encuentra aún en su estadio inicial; hecho que justifica el desarrollo de herramientas numéricas eficientes que permitan establecer las bases para el diseño de la próxima generación de AWEs. En este trabajo se presenta el desarrollo de una herramienta de simulación numérica para estudiar la aerodinámica no estacionaria y no lineal de un concepto de AWE basado en una plataforma voladora tipo “barrilete” (kiteplane). La configuración del AWE estudiado posee su estación de generación en tierra con un mecanismo de generación de energía que consiste de ciclos de “bombeo” (tracción y retracción). Durante la fase de tracción, el barrilete vuela siguiendo trayectorias con forma de “8” en el espacio, maximizando la tracción sobre el cable y, por lo tanto, produciendo energía a medida que el mismo se desenrolla de la máquina eléctrica. Un punto crucial en el diseño de un AWE eficiente está asociado al cálculo de la fuerza de tracción que se produce en el cable que lo vincula con la estación terrestre, la cual depende directamente de la aerodinámica del barrilete. Con el fin de estudiar la aerodinámica de AWEs y cuantificar la fuerza que estos ejercen sobre el cable de sujeción se adoptó un modelo aerodinámico basado en una versión modificada de la versión 3D del “unsteady vortex-lattice method”, una generalización del conocido “vortex-lattice method”, ampliamente utilizado en flujos incompresibles y estacionarios. Adicionalmente, en este artículo se estudia como las cargas aerodinámicas se ven influenciadas por: i) el ángulo de ataque; ii) la posición de los empenajes horizontal y verticales; y iii) la relación de aspecto, y los ángulos de diedro y de flecha de las alas. Esta línea de investigación está orientada a desarrollar herramientas de simulación para estudiar la dinámica y la aerodinámica de sistemas AWE, y desarrollar sistemas dinámicos finitos para estudiar la aero-servo-elasticidad de dispositivos de generación de energía no convencionales como alternativa a las grandes turbinas eólicas de eje horizontal y/o vertical.