Diseño de un sistema integral para ensayos estáticos y de fatiga a flexión en álabes de aerogeneradores de baja capacidad

Abstract

Electricity generation from wind power has been on the rise in recent years, particularly in areas with low wind speeds, since high-wind-speed areas are already fully utilized. Wind turbines are key to harnessing wind energy, and specifically, the turbine blades. It is of vital importance to ensure the structural integrity of the blade throughout the wind turbine’s service life. This is where standards such as IEC 61400-2 come into play; this standard, specifically for low-power wind turbines, dictates a series of tests that the blades must pass before being put into operation. This research focuses on creating a system capable of performing static and fatigue tests on low-power wind turbine blades in accordance with the IEC 61400-2 standard, as well as developing the methodologies and laboratory instrumentation necessary to carry out each type of test required by the standard. A module is designed to perform static tests on low-power blades; the tests indicate a decrease in the coefficient of variation between experiments where this module was used and those where it was not. Finite element numerical simulation is used as a vital tool to obtain preliminary results that aid in the development and instrumentation of the experiment. Simulations are performed to obtain the first natural frequency, but instruments are also developed to determine the first natural frequency experimentally; the values obtained by both methodologies are compared. A resonance excitation device is designed to conduct fatigue tests in the laboratory. The results indicate that the device is capable of reproducing fatigue damage over the course of work cycles.

La producción de energía eléctrica mediante energía eólica ha ido en aumento en los últimos años, especialmente la producción en zonas de baja velocidad de viento debido a que las zonas de alta velocidad están aprovechadas en su totalidad. Los aerogeneradores son la clave para extraer la energía del viento, y, específicamente, los álabes del aerogenerador. Es de vital importancia garantizar la integridad estructural del álabe durante la vida útil del aerogenerador. Es ahí donde entran las normas como la IEC 61400-2, que es una norma específicamente para aerogeneradores de baja potencia, la cual nos dicta una serie de pruebas que los álabes deben cumplir antes de ser puestos en operación. Este trabajo de investigación se centra en crear un sistema capaz de realizar pruebas estáticas y de fatiga en álabes de aerogeneradores de baja potencia en base a la norma IEC 61400-2, así como desarrollar las metodologías y la instrumentación necesaria en laboratorio para llevar a cabo cada tipo de prueba que dicta la norma. Se diseña un módulo para realizar pruebas estáticas en álabes de baja potencia, las pruebas indican una baja en el coeficiente de variación entre los experimentos donde se utilizó dicho módulo y en los que no se usó. Se utiliza la simulación numérica por elemento finito como herramienta de vital importancia para obtener resultados previos que ayudan al desarrollo e instrumentación del experimento. Se realizan simulaciones para obtener la primera frecuencia natural, pero además se desarrollan instrumentos para obtener la primera frecuencia natural de forma experimental, se comparan los valores obtenidos por ambas metodologías. Se diseña un dispositivo de excitación por resonancia para poder llevar a cabo las pruebas de fatiga en laboratorio. Los resultados obtenidos indican que el dispositivo es capaz de reproducir un daño de fatiga con el paso de los ciclos de trabajo.