Resumen
Esta disertación presenta el análisis del comportamiento, desde diferentes perspectivas, de un sistema híbrido flotante (FHS), formado por un aerogenerador flotante al cual se le han añadido dos turbinas de corriente marina. Para llevar a cabo este análisis, como paso previo, se ha realizado el diseño y modelado de todos los elementos que componen el FHS mediante el software de diseño asistido por computador Solid Works®. A partir de los datos inerciales obtenidos con este modelado, que representan matemáticamente las características de cada elemento, se ha diseñado una herramienta informática denominada FHYGSYS (Floating Hybrid Generator Systems Simulator) que simula el comportamiento del FHS para unas determinadas condiciones meteorológicas, empleando para ello el entorno programación Matlab®. Esta herramienta ha sido validada comparando simulaciones realizadas bajo las mismas condiciones con la herramienta informática FASTv8 y con resultados de las turbinas de corriente marina existentes en la literatura.
Partiendo de los requerimientos de control y supervisión del FHS objeto de estudio se presenta el modelo matemático del FHS y sus hipótesis de modelado. Al tratarse del modelo matemático de un sistema complejo, la presentación de este se ha dividido en varias partes: cinemática, procesado inercial, procesado de la masa añadida de un cuerpo parcialmente sumergido en el agua, dinámica y fuerzas que actúan de forma significativa sobre el FHS. Estas fuerzas son: las gravitacionales, las hidrostáticas, las de amortiguación adicional, las de arrastre viscoso, las de la masa añadida, las de las olas, las del sistema de amarre, las centrípetas y de Coriolis y las de empuje de cada una de las tres turbinas del FHS. Para el modelado de las condiciones meteorológicas también se ha presentado el modelado del viento, y las corrientes marinas que inciden sobre el FHS.
El objetivo fundamental de esta disertación es doble: analizar el comportamiento del FHS y disponer de una herramienta que permita ensayar diferentes estrategias de control sobre él. Para lograr alcanzar estos objetivos se ha integrado en la herramienta FHYGSYS un modelo matemático para las turbinas denominado teoría BEM (Blade Element Momentum). Esta técnica de modelado de las turbinas permite entregar resultados a partir de la geometría y de la aerodinámica (o hidrodinámica) de las turbinas, respondiendo ante cambios de las condiciones meteorológicas que actúan sobre el FHS.
A partir del modelo matemático del FHS integrado en la herramienta FHYGSYS y una vez realizada su validación, se ha diseñado un sistema de control de adrizamiento (SCA) acoplado al FHS. Se trata de un sistema de control multivariable que pretende reducir la escora del FHS para disminuir las cargas estructurales y la fatiga de los materiales ante condiciones meteorológicas adversas, situación que, durante largos periodos de utilización de la instalación, podrían acortar su vida útil o aumentar las tareas de mantenimiento. El SCA se ha implementado mediante un controlador LQI (Linear Quadratic Integral).
Los principales resultados obtenidos a lo largo de la disertación demuestran que la inclusión de las turbinas de corriente marina aumenta la generación de energía del FHS , pudiendo contribuir a la estabilización de este. También demuestran que el SCA permite minimizar los grados de libertad del FHS sobre los que se tiene capacidad de actuación, reduciendo en cierta medida algunos sobre los que no se tiene esta capacidad de actuación, implicando siempre un coste en la generación de energía del sistema en su conjunto. Por último, se demuestra que la herramienta FHYGSYS ofrece un grado de validación suficiente de modo que los resultados cuantificados puedan ser considerados similares a los obtenidos en un sistema real, sin sobrevalorar los resultados obtenidos utilizando la herramienta de simulación en comparación con los resultados medidos con los instrumentos apropiados en un sistema real.
Palabras clave
Renewable energy; Wind energy; Marine energy; Energy system; Floating wind generator; Floating wind turbine; Floating hybrid system; Marine current turbine; Tidal turbine; Spar-buoy platform; Added mass processing; Moored system; Turbine modeling; Blade element momentum theory; BEM; Aerodynamics; Hydrodynamics; Airfoils; Hydrofoils; PID controller; System modeling; System identification; MIMO LQI controller; Righting control system
