Experimental Study of Self-Excited Aeroelastic Instability in Two-Dimensional Single-Axis Flat Solar Trackers
- Autores: Juan Andrés Cárdenas Rondón
- Directores de la Tesis: Mikel Ogueta Gutiérrez (codir. tes.), Nicolas Franchini Sebastian (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2024
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Ángel Pedro Sanz Andrés (presid.), Marcos Chimeno Manguan (secret.), Antonio Navarro Manso (voc.), Vicente Javier Nadal Mora (voc.), Eduardo Blanco Marigorta (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Aeroespacial por la Universidad Politécnica de Madrid
- Menciones:
- Internacional
- Calificación: Sobresaliente Cum Laude
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
- Resumen
El crecimiento constante de la demanda global de energía, especialmente en el ámbito de la energía eléctrica, que se estima que aumentará entre un 25% y un 30% para el año 2030, junto con los desafíos climáticos han impulsado notablemente el uso de fuentes de energía renovable, especialmente la energía eólica y solar, que actualmente generan el 28% de la electricidad disponible. Dentro de la energía fotovoltaica, los seguidores solares planos de un solo eje son las estructuras más eficientes en cuanto a relación coste-efectividad. Estos sistemas constan de un eje o "torque tube" orientado de norte a sur, donde se colocan paneles solares a lo largo de su longitud. Con un sistema de control y un motor, se ajusta el ángulo de los paneles solares para que estén lo más perpendiculares posible al sol durante el día. Debido a que, aproximadamente, el 35% del precio de estos sistemas se debe a su estructura, la industria se ha centrado en reducir sistemáticamente los costos estructurales para mejorar la relación coste-efectividad. Sin embargo, esta reducción en la estructura de los seguidores solares planos ha llevado a una baja rigidez estructural, lo que ha provocado la aparición de fenómenos aeroelásticos, como las oscilaciones auto excitadas y el bataneo. Este trabajo se centra específicamente en el estudio de las inestabilidades auto excitadas debido a dos razones principales: es el fenómeno que causa los principales daños en los seguidores y, además, no existe consenso en la escasa literatura científica sobre qué fenómeno físico es su responsable. Por lo tanto, los objetivos de este estudio son dos: en primer lugar, realizar un análisis cuantitativo del fenómeno para predecir las velocidades del viento a las que ocurre y determinar la influencia de parámetros como el ángulo de ataque nominal, n, o la altura del eje del seguidor al suelo respecto de su cuerda H/B; y, en segundo lugar, realizar un análisis cualitativo del flujo alrededor de un seguidor solar oscilante para analizar la morfología del flujo y determinar la causa de la inestabilidad. Para llevar a cabo estos estudios, se simplifica el problema asumiendo dos hipótesis importantes: se estudia un seguidor solar plano en condiciones bidimensionales y aislado, sin seguidores solares corriente arriba o corriente abajo, y se linealiza el problema suponiendo pequeñas perturbaciones tanto en el desplazamiento como en la velocidad de la corriente incidente. Para cumplir con estos objetivos, se diseñaron y utilizaron diferentes instalaciones experimentales en un túnel aerodinámico, donde se midieron las acciones aerodinámicas no estacionarias mediante la determinación de las derivadas aerodinámicas, y se observó la morfología VI del flujo mediante pruebas de visualización con humo. Estos experimentos se llevaron a cabo en colaboración entre el Instituto Universitario de Microgravedad "Ignacio Da Riva" de la Universidad Politécnica de Madrid y el Grupo de Transporte Aéreo y el Grupo de Ingeniería Aplicada a la Industria de la Universidad Nacional de La Plata. A través de los análisis realizados, se logró estudiar detalladamente la influencia de H/B y n en las derivadas aerodinámicas, y además se presentó y validó un método iterativo para calcular el amortiguamiento efectivo del sistema en función de la velocidad de la corriente incidente y de las características geométricas y estructurales del seguidor. Además, las visualizaciones realizadas permitieron concluir que el fenómeno de inestabilidad auto excitada presente en los seguidores solares planos de un solo eje es el flameo de entrada en pérdida, provocado por el desprendimiento dinámico de la capa límite durante las oscilaciones. Por último, mediante el estudio morfológico del flujo alrededor del seguidor, se pudo establecer una relación entre los torbellinos generados durante las oscilaciones y las derivadas aerodinámicas estimadas.
