Trailing edge serrations effect on the aerodynamic performance of wind turbines

Resumen

En esta tesis se analiza el impacto que tienen los dientes serrados, colocados en el borde de salida de las palas, en el comportamiento aerodinámico del aerogenerador en el que están instalados. Inicialmente se ha realizado un análisis teórico mediante CFD de un perfil típico de palas de aerogenerador, el NACA 643418. Se han realizado simulaciones RANS, 2D y 3D del flujo alrededor del perfil, del perfil con una placa plana y del perfil con dientes serrados. Se ha comparado el comportamiento aerodinámico de las tres geometrías, analizando coeficientes aerodinámicos, perfiles de velocidad, turbulencia, etc.. Dentro del análisis teórico también se ha realizado un estudio de sensibilidad de diferentes modelos de turbulencia. Se han analizado tres modelos RANS de turbulencia, Spalart-Allmaras, k-omega SST y Transition SST. En este estudio también se investiga el impacto del ángulo de montaje de los dientes serrados en la pala y la influencia del espesor de estos dispositivos en el comportamiento aerodinámico del perfil. De los resultados teóricos se ha derivado una ley empírica que predice el coeficiente de sustentación del perfil con dientes serrados a partir de los datos del perfil original y que se puede extender a otros perfiles aerodinámicos. Para validar esta ley de predicción se ha realizado una campaña experimental en el túnel de viento LSLT de TU-Delft. Se han ensayado dos perfiles diferentes, el Nordex ADO30, perfil con un espesor relativo del 30\% y el NACA 643418, perfil con el 18% de espesor relativo. El primer perfil se ha elegido por su características estructurales y el segundo por ser un perfil ampliamente estudiado en el sector eólico y tener una buena relación entre la eficiencia aerodinámica en condiciones laminares y turbulentas. En estos ensayos se han medido los coeficientes aerodinámicos de ambos perfiles y de los perfiles con dientes serrados instalados con diferentes ángulos de montaje. Con estos resultados se ha podido validar completamente la ley de predicción derivada del estudio teórico. Una vez validada la ecuación propuesta, se ha utilizado para calcular los coeficientes aerodinámicos de otros perfiles que forman las palas de los aerogeneradores. Con esta información se ha realizado un estudio teórico de cargas y producción de un aerogenerador con dientes serrados instalados en sus palas. La producción eléctrica calculada se ha comparado con los datos experimentales derivados del análisis de curva de potencia en un aerogenerador real antes y después de instalarle dientes serrados. Finalmente se ha realizado un estudio experimental del impacto acústico de estos dispositivos en el ruido emitido por el aerogenerador, probando su efectividad en este campo.