Diseño e implementación de método simplificado para estimar el tiempo de vida de aspas de aerogenerador

El documento aborda la creciente importancia de las energías renovables, especialmente la energía eólica, como alternativa a los combustibles fósiles. Se destaca el papel crucial de las aspas de los aerogeneradores y la necesidad de garantizar una vida útil mínima de 20 años para lograr sistemas confiables y eficientes. El documento subraya las ventajas de los materiales compuestos en la fabricación de aspas debido a su resistencia a la fatiga y reducción de peso, además de la importancia de contar con sistemas de control eficientes que permitan una producción de energía confiable en un amplio rango de velocidades de viento.

El documento realiza una revisión de los métodos existentes para el cálculo del daño y la estimación de la vida útil de las aspas de los aerogeneradores. Se exploran diferentes modelos de daño, como la regla de Palmgren-Miner (PM), que se basa en el número de ciclos de carga y el número de ciclos de carga permitidos. También se mencionan otros modelos como los de resistencia residual y el coeficiente de efecto de fatiga. El documento destaca la importancia de comprender el comportamiento estocástico del viento y las condiciones medioambientales en el diseño de aspas, con el objetivo de garantizar una vida útil mínima de 20 años.

El documento presenta una metodología simplificada para estimar el tiempo de vida de las aspas de un aerogenerador de 10 kW, utilizando dos sistemas de limitación de potencia: stall y pitch. La metodología se basa en las normas internacionales IEC 61400-2 y Guide for the certification of wind turbines. Se utiliza una combinación de dos softwares: QBlade para la simulación del rotor y la turbina, y Matlab para el cálculo del esfuerzo equivalente, el número de ciclos de carga, el daño acumulado y la estimación del tiempo de vida. El documento describe con detalle las etapas de la metodología, incluyendo la selección de los perfiles aerodinámicos, la geometría y características del material del aspa, la simulación de la turbina y el conteo de ciclos de carga.

El documento presenta los resultados obtenidos al aplicar la metodología propuesta a diferentes escenarios de viento, considerando la intensidad de turbulencia y la velocidad del viento. Los resultados muestran que el sistema pitch, en general, presenta una esperanza de vida mayor que el sistema stall. Sin embargo, se observa que el sistema stall puede presentar un mejor rendimiento a altas velocidades de viento debido al componente estocástico de las series de viento simuladas. El documento también analiza el impacto del diseño de las curvas objetivo en el tiempo de vida de las aspas, concluyendo que un diseño eficiente puede contribuir a reducir el esfuerzo en la raíz del aspa y aumentar la esperanza de vida. La metodología propuesta permite estimar el tiempo de vida de las aspas de forma práctica y sencilla, utilizando datos que se pueden obtener del proveedor o de los diseñadores.