Diseño en Bond Graph de un aerogenerador de baja potencia para uso residencial

Abstract

This thesis presents the development of a comprehensive dynamic model of a low-power wind turbine for residential applications using the Bond Graph methodology, which provides a unified representation of the aerodynamic, structural, mechanical, and electromechanical domains. Two configurations are addressed: a horizontal-axis wind turbine modeled using blade element momentum (BEM) theory, and a helical Darrieus-type vertical-axis wind turbine modeled using the same theory in combination with the double-multiple streamtube (DMST) actuator disk momentum model. In both cases, the blades are represented using the Rayleigh beam model and the finite element method, enabling the inclusion of flexibility and mass distribution effects. The drivetrain is complemented by a structural shaft model and a detailed bearing model based on a five-degree-of-freedom scheme that incorporates friction, stiffness, and damping. The conversion from mechanical to electrical energy is implemented through a permanent magnet synchronous generator (PMSG) represented in three-phase variables. The results show that integrating the different domains within the Bond Graph framework allows reproducing the evolution of the power coefficient, aerodynamic torque, shaft dynamics, and mechanical losses in the bearing, providing a simulation consistent with the physical laws governing the complete system. The proposed model constitutes a solid tool for analysis, design, and future applications in control, fault diagnosis, and structural optimization of residential wind turbines.

Esta Tesis presenta el desarrollo de un modelo dinámico integral de un aerogenerador de baja potencia para uso residencial, utilizando la metodología Bond Graph el cual representa de manera unificada los dominios aerodinámico, estructural, mecánico y electromecánico. Se abordan dos configuraciones: un aerogenerador de eje horizontal modelado con la teoría del momento de elemento aspa y un aerogenerador de eje vertical tipo Darrieus helicoidal modelado mediante la misma teoría en conjunto con el modelo del momento con doble disco actuador. En ambos casos, las aspas se representan mediante el modelo de viga de Rayleigh y el método de elementos finitos que permiten representar su flexibilidad y distribución de masa. El tren mecánico se complementa con el eje estructural, y con un modelo detallado del rodamiento basado en un esquema de cinco grados de libertad que incorpora fricción, rigidez y amortiguamiento. La conversión de la energía mecánica a eléctrica se implementa con un generador síncrono de imanes permanentes representado en variables trifásicas. Los resultados muestran que la integración de los diferentes dominios en Bond Graph permite reproducir la evolución del coeficiente de potencia, el torque aerodinámico, la dinámica del eje y las pérdidas mecánicas en el rodamiento, proporcionando una simulación de acuerdo con las leyes de la física del sistema completo. El modelo propuesto constituye una herramienta robusta para análisis, diseño y futuras aplicaciones de control, diagnóstico de fallas y optimización estructural en aerogeneradores residenciales.