Analysis of calibration results from cup and propeller anemometers. Influence on wind turbine Annual Energy Production (AEP) calculations

The calibration coefficients of several models of cup and propeller anemometers were analysed. The analysis was based on a series of laboratory calibrations between January 2003 and August 2007. Mean and standard deviation values of calibration coefficients from the anemometers studied were included. Two calibration procedures were used and compared. In the first, recommended by the Measuring network of Wind Energy Institutes (MEASNET), 13 measurement points were taken over a wind speed range of 4 to 16  m  s−1. In the second procedure, 9 measurement points were taken over a wider speed range of 4 to 23  m  s−1. Results indicated no significant differences between the two calibration procedures applied to the same anemometer in terms of measured wind speed and wind turbines' Annual Energy Production (AEP). The influence of the cup anemometers' design on the calibration coefficients was also analysed. The results revealed that the slope of the calibration curve, if based on the rotation frequency and not the anemometer's output frequency, seemed to depend on the cup center rotation radius.

Hybrid wind-diesel power plant valuation and optimization using real option theory and dynamic programming

El sistema de energía eólica-diesel híbrido tiene un gran potencial en la prestación de suministro de energía a comunidades remotas. En comparación con los sistemas tradicionales de diesel, las plantas de energía híbridas ofrecen grandes ventajas tales como el suministro de capacidad de energía extra para "microgrids", reducción de los contaminantes y emisiones de gases de efecto invernadero, y la cobertura del riesgo de aumento inesperado del precio del combustible. El principal objetivo de la presente tesis es proporcionar nuevos conocimientos para la evaluación y optimización de los sistemas de energía híbrido eólico-diesel considerando las incertidumbres. Dado que la energía eólica es una variable estocástica, ésta no puede ser controlada ni predecirse con exactitud. La naturaleza incierta del viento como fuente de energía produce serios problemas tanto para la operación como para la evaluación del valor del sistema de energía eólica-diesel híbrido. Por un lado, la regulación de la potencia inyectada desde las turbinas de viento es una difícil tarea cuando opera el sistema híbrido. Por otro lado, el bene.cio económico de un sistema eólico-diesel híbrido se logra directamente a través de la energía entregada a la red de alimentación de la energía eólica. Consecuentemente, la incertidumbre de los recursos eólicos incrementa la dificultad de estimar los beneficios globales en la etapa de planificación. La principal preocupación del modelo tradicional determinista es no tener en cuenta la incertidumbre futura a la hora de tomar la decisión de operación. Con lo cual, no se prevé las acciones operativas flexibles en respuesta a los escenarios futuros. El análisis del rendimiento y simulación por ordenador en el Proyecto Eólico San Cristóbal demuestra que la incertidumbre sobre la energía eólica, las estrategias de control, almacenamiento de energía, y la curva de potencia de aerogeneradores tienen un impacto significativo sobre el rendimiento del sistema. En la presente tesis, se analiza la relación entre la teoría de valoración de opciones y el proceso de toma de decisiones. La opción real se desarrolla con un modelo y se presenta a través de ejemplos prácticos para evaluar el valor de los sistemas de energía eólica-diesel híbridos. Los resultados muestran que las opciones operacionales pueden aportar un valor adicional para el sistema de energía híbrida, cuando esta flexibilidad operativa se utiliza correctamente. Este marco se puede aplicar en la optimización de la operación a corto plazo teniendo en cuenta la naturaleza dependiente de la trayectoria de la política óptima de despacho, dadas las plausibles futuras realizaciones de la producción de energía eólica. En comparación con los métodos de valoración y optimización existentes, el resultado del caso de estudio numérico muestra que la política de operación resultante del modelo de optimización propuesto presenta una notable actuación en la reducción del con- sumo total de combustible del sistema eólico-diesel. Con el .n de tomar decisiones óptimas, los operadores de plantas de energía y los gestores de éstas no deben centrarse sólo en el resultado directo de cada acción operativa, tampoco deberían tomar decisiones deterministas. La forma correcta es gestionar dinámicamente el sistema de energía teniendo en cuenta el valor futuro condicionado en cada opción frente a la incertidumbre. ABSTRACT Hybrid wind-diesel power systems have a great potential in providing energy supply to remote communities. Compared with the traditional diesel systems, hybrid power plants are providing many advantages such as providing extra energy capacity to the micro-grid, reducing pollution and greenhouse-gas emissions, and hedging the risk of unexpected fuel price increases. This dissertation aims at providing novel insights for assessing and optimizing hybrid wind-diesel power systems considering the related uncertainties. Since wind power can neither be controlled nor accurately predicted, the energy harvested from a wind turbine may be considered a stochastic variable. This uncertain nature of wind energy source results in serious problems for both the operation and value assessment of the hybrid wind-diesel power system. On the one hand, regulating the uncertain power injected from wind turbines is a difficult task when operating the hybrid system. On the other hand, the economic profit of a hybrid wind-diesel system is achieved directly through the energy delivered to the power grid from the wind energy. Therefore, the uncertainty of wind resources has increased the difficulty in estimating the total benefits in the planning stage. The main concern of the traditional deterministic model is that it does not consider the future uncertainty when making the dispatch decision. Thus, it does not provide flexible operational actions in response to the uncertain future scenarios. Performance analysis and computer simulation on the San Cristobal Wind Project demonstrate that the wind power uncertainty, control strategies, energy storage, and the wind turbine power curve have a significant impact on the performance of the system. In this dissertation, the relationship between option pricing theory and decision making process is discussed. A real option model is developed and presented through practical examples for assessing the value of hybrid wind-diesel power systems. Results show that operational options can provide additional value to the hybrid power system when this operational flexibility is correctly utilized. This framework can be applied in optimizing short term dispatch decisions considering the path-dependent nature of the optimal dispatch policy, given the plausible future realizations of the wind power production. Comparing with the existing valuation and optimization methods, result from numerical example shows that the dispatch policy resulting from the proposed optimization model exhibits a remarkable performance in minimizing the total fuel consumption of the wind-diesel system. In order to make optimal decisions, power plant operators and managers should not just focus on the direct outcome of each operational action; neither should they make deterministic decisions. The correct way is to dynamically manage the power system by taking into consideration the conditional future value in each option in response to the uncertainty.

Parque eólico Cassino

La energía eólica, así como otras energías renovables, ha experimentado en la última década un gran auge que va extendiéndose alrededor de todo el mundo, cada vez más concienciado de la importancia de las energías renovables como una fuente alternativa de energía. Se han sumado al reto todos los países acogidos al Protocolo de Kyoto, que a fin de reducir emisiones están potenciando la energía eólica como la fuente de energía renovable hoy día más viable para la generación eléctrica. Brasil alcanzó en 2011 los 1.509 MW instalados, lo que representa el 50% de Latinoamérica, seguido por México con el 31%. Las características del sector eléctrico así como un marco legal favorable y el alto potencial eólico, hacen que la perspectiva de crecimiento en este tipo de energía sea muy favorable durante los próximos años, con estimaciones de unos 20.000 MW para 2020. El asentamiento del sector en el país de algunos de los fabricantes más importantes y los avances en cuanto a eficiencia de los aerogeneradores, mayor aprovechamiento de la energía de los vientos menos intensos, amplía las posibles ubicaciones de parques eólicos permitiendo una expansión grande del sector. El parque eólico objeto del proyecto está ubicado en el estado de Rio Grande do Sul, al sur del país, y está constituido por 33 aerogeneradores de 2,0 MW de potencia unitaria, lo que supone una potencia total instalada de 66 MW. La energía eléctrica generada en él será de 272,8 GWh/año. Esta energía se venderá mediante un contrato de compraventa de energía (PPA, Power Purchase Agreement) adjudicado por el gobierno Brasileño en sus sistemas de subasta de energía. En el proyecto se aborda primeramente la selección del emplazamiento del parque eólico a partir de datos de viento de la zona. Estos datos son estudiados para evaluar el potencial eólico y así poder optimizar la ubicación de las turbinas eólicas. Posteriormente se evalúan varios tipos de aerogeneradores para su implantación en el emplazamiento. La elección se realiza teniendo en cuenta las características técnicas de las máquinas y mediante un estudio de la productividad del parque con el aerogenerador correspondiente. Finalmente se opta por el aerogenerador G97-2.0 de GAMESA. La ejecución técnica del parque eólico se realiza de forma que se minimicen los impactos ambientales y de acuerdo a lo establecido en el Estudio de Impacto Ambiental realizado. Este proyecto requiere una inversión de 75,4 M€, financiada externamente en un 80 % y el 20 % con recursos propios del promotor. Del estudio económico-financiero se deduce que el proyecto diseñado es rentable económicamente y viable, tanto desde el punto de vista técnico como financiero. Abstract Wind energy, as well as other renewable energies, has experienced over the last decade a boom that is spreading around the world increasingly aware of the importance of renewable energy as an alternative energy source. All countries that ratified the Kyoto Protocol have joined the challenge promoting wind energy in order to reduce emissions as the more feasible renewable energy for power generation. In 2011 Brazil reached 1509 MW installed, 50% of Latin America, followed by Mexico with 31%. Electric sector characteristics as well as a favorable legal framework and the high wind potential, make the perspective of growth in this kind of energy very positive in the coming years, with estimates of about 20,000 MW by 2020. Some leading manufacturers have settled in the country and improvements in wind turbines efficiency with less intense winds, make higher the number of possible locations for wind farms allowing a major expansion of the sector. The planned wind farm is located in the state of Rio Grande do Sul, in the south of the Brazil, and is made up of 33 wind turbines of 2,0 MW each, representing a total capacity of 66 MW. The electricity generated, 272,8 GWh/year will be sold through a power purchase agreement (PPA) awarded by the Brazilian government in its energy auction systems. The project deals with the site selection of the wind farm from wind data in the area. These data are studied to evaluate the wind potential and thus optimize the location of wind turbines. Then several types of turbines are evaluated for implementation at the site. The choice is made taking into account the technical characteristics of the machines and a study of the productivity of the park with the corresponding turbine. Finally selected wind turbine is Gamesa G97-2.0. The technical implementation of the wind farm is done to minimize environmental impacts as established in the Environmental Impact Study. This project requires an investment of 75,4 M€, financed externally by 80% and 20% with equity from the promoter. The economic-financial study shows that the project is economically viable, both technically and financially.

Análisis de la influencia de los diferentes parámetros de diseño en la aparición de fatiga superficial en contactos mecánicos

La fatiga superficial es uno de los principales problemas en las transmisiones mecánicas y es uno de los focos de atención de las investigaciones de los últimos anos en Tribología. La disminución de viscosidad de los lubricantes para la mejora de la eficiencia, el aumento de las potencias a transmitir, el aumento de la vida de los componentes o la mejora de su fiabilidad han supuesto que los fenómenos de fatiga superficial hayan cobrado especial relevancia, especialmente los fenómenos de pitting y micropitting en cajas multiplicadoras/reductoras de grandes potencias de aplicación, por ejemplo, en el sector eólico. Como todo fenómeno de fatiga, el pitting y micropitting son debidos a la aplicación de cargas ciclicas. Su aparición depende de las presiones y tensiones cortantes en el contacto entre dos superficies que al encontrarse en rodadura y deslizamiento varian con el tiempo. La principal consecuencia de la fatiga superficial es la aparición de hoyuelos de diferente magnitud segun la escala del fenómeno (pitting o micropitting) en la superficie del material. La aparición de estos hoyuelos provoca la perdida de material, induce vibraciones y sobrecargas en el elemento que finalmente acaba fallando. Debido a la influencia de la presión y tensión cortante en el contacto, la aparición de fatiga depende fuertemente del lubricante que se encuentre entre las dos superficies y de las condiciones de funcionamiento en las cuales este trabajando. Cuando el contacto trabaja en condiciones de lubricacion mixta-elastohidrodinamica tiende a aparecer micropitting debido a las altas tensiones localizadas en las proximidades de las asperezas, mientras que si el régimen es de lubricación completa el tipo de fatiga superficial suele ser pitting debido a las tensiones mas suavizadas y menos concentradas. En esta Tesis Doctoral se han analizado todos estos factores de influencia que controlan el pitting y el micropitting prestando especial atención al efecto del lubricante. Para ello, se ha dado un enfoque conjunto a ambos fenómenos resolviendo las ecuaciones involucradas en el contacto elastohidrodinamico no-Newtoniano (la ecuación de Reynolds, la deformación elástica de los sólidos y la reologia del lubricante) para conocer la presión y la tensión cortante en el contacto. Conocidas estas, se resuelve el campo de tensiones en el interior del material y, finalmente, se aplican criterios de fatiga multiaxial (Crossland, Dang Van y Liu-Mahadevan) para conocer si el material falla o no falla. Con la metodología desarrollada se ha analizado el efecto sobre las tensiones y la aparición de la fatiga superficial del coeficiente viscosidad-presion, de la compresibilidad, del espesor especifico de película y de la fricción así como de la influencia de las propiedades a fatiga del material y de las condiciones de funcionamiento (radios de contacto, velocidad, deslizamiento, carga y temperatura). Para la validación de los resultados se han utilizado resultados teóricos y experimentales de otros autores junto con normas internacionales de amplia utilización en el mundo industrial, entre otras, para el diseño y calculo de engranajes. A parte del trabajo realizado por simulación y cálculo de los diferentes modelos desarrollados, se ha realizado un importante trabajo experimental que ha servido no solo para validar la herramienta desarrollada sino que además ha permitido incorporar al estudio factores no considerados en los modelos, como los aditivos del lubricante. Se han realizado ensayos de medida del coeficiente de fricción en una maquina de ensayo puntual con la que se ha validado el cálculo del coeficiente de fricción y se ha desarrollado un proceso de mejora del coeficiente de fricción mediante texturizado superficial en contactos puntuales elastohidrodinamicos mediante fotolitografia y ataque quimico. Junto con los ensayos de medida de fricción en contacto puntual se han realizado ensayos de fricción y fatiga superficial en contacto lineal mediante una maquina de discos que ha permitido evaluar la influencia de diferentes aditivos (modificadores de fricción, antidesgaste y extrema-presion) en la aparición de fatiga superficial (pitting y micropitting) y la fricción en el contacto. Abstract Surface fatigue is one of the most important problems of mechanical transmissions and therefore has been one of the main research topics on Tribology during the last years. On the one hand, industrial demand on fuel economy has led to reduce lubricant viscosity in order to improve efficiency. On the other hand, the requirements of power and life of machine elements are continuously increasing, together with the improvements in reliability. As a consequence, surface fatigue phenomena have become critical in machinery, in particular pitting and micropitting in high power gearboxes of every kind of machines, e.g., wind turbines or cranes. In line with every fatigue phenomena, pitting and micropitting are caused by cyclic loads. Their appearance depends on the evolution of pressures and shear stresses with time, throughout the contact between surfaces under rolling and sliding conditions. The main consequence of surface fatigue is the appearance of pits on the surface. The size of the pits is related to the scale of the fatigue: pitting or micropitting. These pits cause material loss, vibrations and overloads until the final failure is reached. Due to the great influence of the pressures and shear stresses in surface fatigue, the appearance of pits depends directly on the lubricant and the operating conditions. When the contact works under mixed regime (or under elastohydrodynamic but close to mixed regime) the main fatigue failure is micropitting because of the high pressures located near the asperities. In contrast, when the contact works under elastohydrodynamic fully flooded conditions the typical fatigue failure is pitting. In this Ph.D. Thesis, the main factors with influence on pitting and micropitting phenomena are analyzed, with special attention to the effect of the lubricant. For this purpose, pitting and micropitting are studied together by solving the equations involved in the non-Newtonian elastohydrodynamic contact. Thus, pressure and shear stress distributions are found by taking into account Reynolds equation, elastic deflection of the solids and lubricant rheology. Subsequently, the stress field inside the material can be calculated and different multiaxial fatigue criteria (Crossland, Dang Van and Liu- Mahadevan) can be applied to predict whether fatigue failure is reached. The influences of the main parameters on pressure and surface fatigue have been studied, taking into account the lubricant compressibility and its viscosity-pressure coefficient, the specific film thickness, the friction coefficient and the fatigue properties of the contacting materials, together with the operating conditions (contact radius, mean velocity, sliding velocity, load and temperature). Several theoretical and experimental studies of different authors have been used to validate all the results obtained, together with international standards used worldwide in gear design industry. Moreover, an experimental stage has been carried out in order to validate the calculation methods and introduce additional influences not included previously, e.g., lubricant additives. The experimentation includes different friction tests in point contacts performed with a tribological equipment in order to validate the results given by the calculations. Furthermore, the reduction and optimization of the friction coefficient is analyzed by means of textured surfaces, obtained combining photolithography and chemical etching techniques. Besides the friction tests with point contact, friction and surface fatigue tests have also been performed with line contact in a tribological test rig. This equipment is also used to study the influence of different types of additives (friction modifiers, anti-wear and extreme-pressure additives) on surface fatigue (pitting and micropitting).

Diseño de sistema de pitch pasivo para aerogeneradores en entornos urbanos

El presente proyecto desarrolla el diseño de un sistema de pitch pasivo para aerogeneradores en entornos urbanos en el marco del proyecto SWIP (Soluciones, componentes y herramientas novedosos e innovadores para la integración de la energía eólica en áreas urbanas y suburbanas) En primer lugar se describe el marco de trabajo así como una introducción teórica de energía eólica y de sistemas de pitch o de control de paso de pala. Aquí son presentados los fundamentos del accionamiento del pitch pasivo diseñado. A continuación se presenta el mecanismo diseñado y los cálculos sobre él efectuados para el ajuste de sus parámetros de funcionamiento. Posteriormente se plantea el análisis estructural de los distintos casos de carga a los que estará sometido y el estudio de su respuesta dinámica a perturbaciones reales con las que trabajará durante su funcionamiento normal. Por último, se aclaran otra serie de factores como la seguridad y el sobredimensionamiento del generador y se hace un análisis económico del diseño junto con una comparativa con las tecnologías alternativas existentes. ABSTRACT The present project develops the design of a passive pitch system for wind turbines for urban and sub-urban areas for the SWIP European Project (New innovative solutions, components and tools for the integration of wind energy in urban and peri-urban áreas) Firstly, the framework is described, as well as a theoretical introduction to wind energy and pitch systems. Here, the principles of the designed passive pitch mechanism are presented. Subsequently, the designed mechanism is presented together with the calculations on it for the adjustment of its working parameters. After that, the structural analyses for the different load cases that will affect the design are studied. Afterwards, the dynamic response of the system to real perturbations during its operation is studied. Finally, some concepts concerning security issues or oversizing of the electric generator are considered and an economic analysis is performed for the design and also to compare it with the alternative existing technologies.

Hydrodynamic forces on heave plates for offshore systems oscillating close to the seabed or the free surface

La energía eólica marina es uno de los recursos energéticos con mayor proyección pudiendo contribuir a reducir el consumo de combustibles fósiles y a cubrir la demanda de energía en todo el mundo. El concepto de aerogenerador marino está basado en estructuras fijas como jackets o en plataformas flotantes, ya sea una semisumergible o una TLP. Se espera que la energía eólica offshore juegue un papel importante en el perfil de producción energética de los próximos años; por tanto, las turbinas eólicas deben hacerse más fables y rentables para ser competitivas frente a otras fuentes de energía. Las estructuras flotantes pueden experimentar movimientos resonantes en estados de la mar con largos períodos de oleaje. Estos movimientos disminuyen su operatividad y pueden causar daños en los componentes eléctricos de las turbinas y en las palas, también en los risers y moorings. La respuesta de la componente vertical del movimiento puede reducirse mediante diferentes actuaciones: (1) aumentando la amortiguación del sistema, (2) manteniendo el período del movimiento vertical fuera del rango de la energía de la ola, y (3) reduciendo las fuerzas de excitación verticales. Un ejemplo típico para llevar a cabo esta reducción son las "Heave Plates". Las heave plates son placas que se utilizan en la industria offshore debido a sus características hidrodinámicas, ya que aumentan la masa añadida y la amortiguación del sistema. En un análisis hidrodinámico convencional, se considera una estructura sometida a un oleaje con determinadas características y se evalúan las cargas lineales usando la teoría potencial. El amortiguamiento viscoso, que juega un papel crucial en la respuesta en resonancia del sistema, es un dato de entrada para el análisis. La tesis se centra principalmente en la predicción del amortiguamiento viscoso y de la masa añadida de las heave plates usadas en las turbinas eólicas flotantes. En los cálculos, las fuerzas hidrodinámicas se han obtenido con el f n de estudiar cómo los coeficientes hidrodinámicos de masa añadida5 y amortiguamiento varían con el número de KC, que caracteriza la amplitud del movimiento respecto al diámetro del disco. Por otra parte, se ha investigado la influencia de la distancia media de la ‘heave plate’ a la superficie libre o al fondo del mar, sobre los coeficientes hidrodinámicos. En este proceso, un nuevo modelo que describe el trabajo realizado por la amortiguación en función de la enstrofía, es descrito en el presente documento. Este nuevo enfoque es capaz de proporcionar una correlación directa entre el desprendimiento local de vorticidad y la fuerza de amortiguación global. El análisis también incluye el estudio de los efectos de la geometría de la heave plate, y examina la sensibilidad de los coeficientes hidrodinámicos al incluir porosidad en ésta. Un diseño novedoso de una heave plate, basado en la teoría fractal, también fue analizado experimentalmente y comparado con datos experimentales obtenidos por otros autores. Para la resolución de las ecuaciones de Navier Stokes se ha usado un solver basado en el método de volúmenes finitos. El solver usa las librerías de OpenFOAM (Open source Field Operation And Manipulation), para resolver un problema multifásico e incompresible, usando la técnica VOF (volume of fluid) que permite capturar el movimiento de la superficie libre. Los resultados numéricos han sido comparados con resultados experimentales llevados a cabo en el Canal del Ensayos Hidrodinámicos (CEHINAV) de la Universidad Politécnica de Madrid y en el Canal de Experiencias Hidrodinámicas (CEHIPAR) en Madrid, al igual que con otros experimentos realizados en la Escuela de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Western Australia. Los principales resultados se presentan a continuación: 1. Para pequeños valores de KC, los coeficientes hidrodinámicos de masa añadida y amortiguamiento incrementan su valor a medida que el disco se aproxima al fondo marino. Para los casos cuando el disco oscila cerca de la superficie libre, la dependencia de los coeficientes hidrodinámicos es más fuerte por la influencia del movimiento de la superficie libre. 2. Los casos analizados muestran la existencia de un valor crítico de KC, donde la tendencia de los coeficientes hidrodinámicos se ve alterada. Dicho valor crítico depende de la distancia al fondo marino o a la superficie libre. 3. El comportamiento físico del flujo, para valores de KC cercanos a su valor crítico ha sido estudiado mediante el análisis del campo de vorticidad. 4. Introducir porosidad al disco, reduce la masa añadida para los valores de KC estudiados, pero se ha encontrado que la porosidad incrementa el valor del coeficiente de amortiguamiento cuando se incrementa la amplitud del movimiento, logrando un máximo de damping para un disco con 10% de porosidad. 5. Los resultados numéricos y experimentales para los discos con faldón, muestran que usar este tipo de geometrías incrementa la masa añadida cuando se compara con el disco sólido, pero reduce considerablemente el coeficiente de amortiguamiento. 6. Un diseño novedoso de heave plate basado en la teoría fractal ha sido experimentalmente estudiado a diferentes calados y comparado con datos experimentales obtenidos por otro autores. Los resultados muestran un comportamiento incierto de los coeficientes y por tanto este diseño debería ser estudiado más a fondo. ABSTRACT Offshore wind energy is one of the promising resources which can reduce the fossil fuel energy consumption and cover worldwide energy demands. Offshore wind turbine concepts are based on either a fixed structure as a jacket or a floating offshore platform like a semisubmersible, spar or tension leg platform. Floating offshore wind turbines have the potential to be an important part of the energy production profile in the coming years. In order to accomplish this wind integration, these wind turbines need to be made more reliable and cost efficient to be competitive with other sources of energy. Floating offshore artifacts, such oil rings and wind turbines, may experience resonant heave motions in sea states with long peak periods. These heave resonances may increase the system downtime and cause damage on the system components and as well as on risers and mooring systems. The heave resonant response may be reduced by different means: (1) increasing the damping of the system, (2) keeping the natural heave period outside the range of the wave energy, and (3) reducing the heave excitation forces. A typical example to accomplish this reduction are “Heave Plates”. Heave plates are used in the offshore industry due to their hydrodynamic characteristics, i.e., increased added mass and damping. Conventional offshore hydrodynamic analysis considers a structure in waves, and evaluates the linear and nonlinear loads using potential theory. Viscous damping, which is expected to play a crucial role in the resonant response, is an empirical input to the analysis, and is not explicitly calculated. The present research has been mainly focused on the prediction of viscous damping and added mass of floating offshore wind turbine heave plates. In the calculations, the hydrodynamic forces have been measured in order to compute how the hydrodynamic coefficients of added mass1 and damping vary with the KC number, which characterises the amplitude of heave motion relative to the diameter of the disc. In addition, the influence on the hydrodynamic coefficients when the heave plate is oscillating close to the free surface or the seabed has been investigated. In this process, a new model describing the work done by damping in terms of the flow enstrophy, is described herein. This new approach is able to provide a direct correlation between the local vortex shedding processes and the global damping force. The analysis also includes the study of different edges geometry, and examines the sensitivity of the damping and added mass coefficients to the porosity of the plate. A novel porous heave plate based on fractal theory has also been proposed, tested experimentally and compared with experimental data obtained by other authors for plates with similar porosity. A numerical solver of Navier Stokes equations, based on the finite volume technique has been applied. It uses the open-source libraries of OpenFOAM (Open source Field Operation And Manipulation), to solve 2 incompressible, isothermal immiscible fluids using a VOF (volume of fluid) phase-fraction based interface capturing approach, with optional mesh motion and mesh topology changes including adaptive re-meshing. Numerical results have been compared with experiments conducted at Technical University of Madrid (CEHINAV) and CEHIPAR model basins in Madrid and with others performed at School of Mechanical Engineering in The University of Western Australia. A brief summary of main results are presented below: 1. At low KC numbers, a systematic increase in added mass and damping, corresponding to an increase in the seabed proximity, is observed. Specifically, for the cases when the heave plate is oscillating closer to the free surface, the dependence of the hydrodynamic coefficients is strongly influenced by the free surface. 2. As seen in experiments, a critical KC, where the linear trend of the hydrodynamic coefficients with KC is disrupted and that depends on the seabed or free surface distance, has been found. 3. The physical behavior of the flow around the critical KC has been explained through an analysis of the flow vorticity field. 4. The porosity of the heave plates reduces the added mass for the studied porosity at all KC numbers, but the porous heave plates are found to increase the damping coefficient with increasing amplitude of oscillation, achieving a maximum damping coefficient for the heave plate with 10% porosity in the entire KC range. 5. Another concept taken into account in this work has been the heave plates with flaps. Numerical and experimental results show that using discs with flaps will increase added mass when compared to the plain plate but may also significantly reduce damping. 6. A novel heave plate design based on fractal theory has tested experimentally for different submergences and compared with experimental data obtained by other authors for porous plates. Results show an unclear behavior in the coefficients and should be studied further. Future work is necessary in order to address a series of open questions focusing on 3D effects, optimization of the heave plates shapes, etc.

Aerodinámica experimental de elementos de parques energéticos

La creciente demanda de energía eléctrica y la necesidad de implementar energías no contaminantes hace que las llamadas tecnologías verdes sean cada día más solicitadas. Entre estas tecnologías encontramos la energía solar y la energía eólica; ambas tienen una trayectoria de uso e investigación bastante amplia, sin embargo aún presentan problemas de fondo que impiden dar mayor impulso a su uso. El objetivo de la presente tesis es presentar soluciones a problemas de optimización en campos conversores de energía. Para ello se analizan y resuelven dos problemas por medio de técnicas de aerodinámica experimental: el primero sobre campos de colectores solares y el segundo sobre campos eólicos. Las técnicas de medición utilizadas en aerodinámica, y en el presente trabajo, son: medición de cargas, anemometría de hilo caliente, velocimetría por imagen de partículas y escaneo de presiones; además de un análisis estadístico de los datos. En el primer caso se ensayan experimentalmente colectores solares parabólicos en donde, por cuestiones de seguridad o por protección contra el viento, se utilizan cercas. Éstas modifican el comportamiento del flujo corriente abajo y se ha encontrado que la distancia a la cual se colocan, así como el tipo de cercas (sólida o permeable), modifican las cargas estructurales a las que los colectores están expuestos. Los resultados demuestran que existe una distancia crítica en la cual la presencia de la cerca aumenta la carga en lugar de disminuirla, por lo cual la selección adecuada del parapeto y la distancia a la cual se coloca son de suma importancia para la optimización de la estructura. En el segundo caso se ensaya experimentalmente y simula numéricamente la estela de turbinas eólicas por medio de discos porosos. En donde un disco permeable simula el rotor de una turbina. El disco es capaz de semejar la estela y los efectos que ésta puede causar corriente abajo. Los resultados muestran que seleccionando adecuadamente la porosidad, es posible simular coeficientes de empuje similares a los desarrollados por los aerogeneradores, además la estela y sus efectos son semejantes a los medidos en campo. ABSTRACT The called green energy technologies are increasingly required because of the growing demand for electricity and the need to implement nonpolluting energy. Among the green energy technologies it is found the solar and the wind energy, both have a history of use and fairly extensive research; however they still have problems which limit to give them further impetus to its use. The aim of this thesis is to present solutions to optimization problems in energy harvesting. To this end it is analysed, and solved, two problems by means of techniques in experimental aerodynamics: the first issue with regard to parabolic troughs and the second about wind farms. The measurement techniques commonly used in aerodynamics, and used in this research work, are: measurement of loads, hot wire anemometry, particle image velocimetry and scanning of pressures; where data are collected and then an statistical analysis is done. In the first case it is tested parabolic troughs where, either for security reasons or protection against the wind actions, fences are used. These fences modify the behaviour of flow downstream and it was found that the distance at which they are placed, and the type of fences (solid or permeable) modify the structural loads to which the parabolic troughs are exposed. The results show that there is a critical distance at which the presence of the fence increases the load instead of protecting the parabolic trough, hence making the proper selection of the parapet and the distance at which it stands are paramount for the optimization of the structure. In the second case it is tested, experimentally and numerically, the wake of wind turbines by means of porous disks; where the permeable disc simulates a turbine rotor. The disc is able to mimic the wake and the effects that it can cause downstream. The results show that by properly selecting the porosity, it is possible to simulate drag coefficients similar to those developed by wind turbines; moreover the porous disk wake and its effects are similar to those measured on field.

The extended Betz–Lanchester limit

A proposal for an extended formulation of the power coefficient of a wind turbine is presented. This new formulation is a generalization of the Betz–Lanchester expression for the power coefficient as function of the axial deceleration of the wind speed provoked by the wind turbine in operation. The extended power coefficient takes into account the benefits of the power produced and the cost associated to the production of this energy. By the simple model proposed is evidenced that the purely energetic optimum operation condition giving rise to the Betz–Lanchester limit (maximum energy produced) does not coincide with the global optimum operational condition (maximum benefit generated) if cost of energy and degradation of the wind turbine during operation is considered. The new extended power coefficient is a general parameter useful to define global optimum operation conditions for wind turbines, considering not only the energy production but also the maintenance cost and the economic cost associated to the life reduction of the machine.

Improvement of theoretical storm characterization for different climate conditions

The different theoretical models related with storm wave characterization focus on determining the significant wave height of the peak storm, the mean period and, usually assuming a triangle storm shape, their duration. In some cases, the main direction is also considered. Nevertheless, definition of the whole storm history, including the variation of the main random variables during the storm cycle is not taken into consideration. The representativeness of the proposed storm models, analysed in a recent study using an empirical maximum energy flux time dependent function shows that the behaviour of the different storm models is extremely dependent on the climatic characteristics of the project area. Moreover, there are no theoretical models able to adequately reproduce storm history evolution of the sea states characterized by important swell components. To overcome this shortcoming, several theoretical storm shapes are investigated taking into consideration the bases of the three best theoretical storm models, the Equivalent Magnitude Storm (EMS), the Equivalent Number of Waves Storm (ENWS) and the Equivalent Duration Storm (EDS) models. To analyse the representativeness of the new storm shape, the aforementioned maximum energy flux formulation and a wave overtopping discharge structure function are used. With the empirical energy flux formulation, correctness of the different approaches is focussed on the progressive hydraulic stability loss of the main armour layer caused by real and theoretical storms. For the overtopping structure equation, the total volume of discharge is considered. In all cases, the results obtained highlight the greater representativeness of the triangular EMS model for sea waves and the trapezoidal (nonparallel sides) EMS model for waves with a higher degree of wave development. Taking into account the increase in offshore and shallow water wind turbines, maritime transport and deep vertical breakwaters, the maximum wave height of the whole storm history and that corresponding to each sea state belonging to its cycle's evolution is also considered. The procedure considers the information usually available for extreme waves' characterization. Extrapolations of the maximum wave height of the selected storms have also been considered. The 4th order statistics of the sea state belonging to the real and theoretical storm have been estimated to complete the statistical analysis of individual wave height

Discrete linear stability and sensitivity analysis of fluid flows

Este trabajo presenta un método discreto para el cálculo de estabilidad hidrodinámica y análisis de sensibilidad a perturbaciones externas para ecuaciones diferenciales y en particular para las ecuaciones de Navier-Stokes compressible. Se utiliza una aproximación con variable compleja para obtener una precisión analítica en la evaluación de la matriz Jacobiana. Además, mapas de sensibilidad para la sensibilidad a las modificaciones del flujo de base y a una fuerza constante permiten identificar las regiones del campo fluido donde una modificacin (ej. fuerza puntual) tiene un efecto estabilizador del flujo. Se presentan cuatro casos de prueba: (1) un caso analítico para comprobar la derivación discreta, (2) una cavidad cerrada a bajo Reynolds para mostrar la mayor precisión en el cálculo de los valores propios con la aproximación de paso complejo, (3) flujo 2D en un cilindro circular para validar la metodología, y (4) flujo en un cavidad abierta, presentado para validar el método en casos de inestabilidades convectivamente inestables. Los tres últimos casos mencionados (2-4) se resolvieron con las ecuaciones de Navier-Stokes compresibles, utilizando un método Discontinuous Galerkin Spectral Element Method. Se obtuvo una buena concordancia para el caso de validación (3), cuando se comparó el nuevo método con resultados de la literatura. Además, este trabajo muestra que para el cálculo de los modos propios directos y adjuntos, así como para los mapas de sensibilidad, el uso de variables complejas es de suprema importancia para obtener una predicción precisa. El método descrito es aplicado al análisis para la estabilización de la estela generada por un disco actuador, que representa un modelo sencillo para hélices, rotores de helicópteros o turbinas eólicas. Se explora la primera bifurcación del flujo para un disco actuador, y se sugiere que está asociada a una inestabilidad de tipo Kelvin-Helmholtz, cuya estabilidad se controla con en el número de Reynolds y en la resistencia del disco actuador (o fuerza resistente). En primer lugar, se verifica que la disminución de la resistencia del disco tiene un efecto estabilizador parecido a una disminución del Reynolds. En segundo lugar, el análisis hidrodinmico discreto identifica dos regiones para la colocación de una fuerza puntual que controle las inestabilidades, una cerca del disco y otra en una zona aguas abajo. En tercer lugar, se muestra que la inclusión de un forzamiento localizado cerca del actuador produce una estabilización más eficiente que al forzar aguas abajo. El análisis de los campos de flujo controlados confirma que modificando el gradiente de velocidad cerca del actuador es más eficiente para estabilizar la estela. Estos resultados podrían proporcionar nuevas directrices para la estabilización de la estela de turbinas de viento o de marea cuando estén instaladas en un parque eólico y minimizar las interacciones no estacionarias entre turbinas. ABSTRACT A discrete framework for computing the global stability and sensitivity analysis to external perturbations for any set of partial differential equations is presented. In particular, a complex-step approximation is used to achieve near analytical accuracy for the evaluation of the Jacobian matrix. Sensitivity maps for the sensitivity to base flow modifications and to a steady force are computed to identify regions of the flow field where an input could have a stabilising effect. Four test cases are presented: (1) an analytical test case to prove the theory of the discrete framework, (2) a lid-driven cavity at low Reynolds case to show the improved accuracy in the calculation of the eigenvalues when using the complex-step approximation, (3) the 2D flow past a circular cylinder at just below the critical Reynolds number is used to validate the methodology, and finally, (4) the flow past an open cavity is presented to give an example of the discrete method applied to a convectively unstable case. The latter three (2–4) of the aforementioned cases were solved with the 2D compressible Navier–Stokes equations using a Discontinuous Galerkin Spectral Element Method. Good agreement was obtained for the validation test case, (3), with appropriate results in the literature. Furthermore, it is shown that for the calculation of the direct and adjoint eigenmodes and their sensitivity maps to external perturbations, the use of complex variables is paramount for obtaining an accurate prediction. An analysis for stabilising the wake past an actuator disc, which represents a simple model for propellers, helicopter rotors or wind turbines is also presented. We explore the first flow bifurcation for an actuator disc and it suggests that it is associated to a Kelvin- Helmholtz type instability whose stability relies on the Reynolds number and the flow resistance applied through the disc (or actuator forcing). First, we report that decreasing the disc resistance has a similar stabilising effect to an decrease in the Reynolds number. Second, a discrete sensitivity analysis identifies two regions for suitable placement of flow control forcing, one close to the disc and one far downstream where the instability originates. Third, we show that adding a localised forcing close to the actuator provides more stabilisation that forcing far downstream. The analysis of the controlled flow fields, confirms that modifying the velocity gradient close to the actuator is more efficient to stabilise the wake than controlling the sheared flow far downstream. An interesting application of these results is to provide guidelines for stabilising the wake of wind or tidal turbines when placed in an energy farm to minimise unsteady interactions.

Wind tunnel study on the influence of different parapets on the roof pressure distribution of low-rise buildings

High suction loads appear on roofs of low-height buildings. The use of parapets with appropriate height at the roof edges alleviates these loads. The performance of six parapet configurations to decrease the suction loads induced on roofs by oblique winds has been studied in a low speed wind tunnel. The studied parapet configurations include vertical wall parapets, either solid or porous, and cantilevered parapets formed by a small horizontal roof close to the building roof. Low-height parapets with a medium porosity and cantilevered parapets are more efficient than solid parapets to reduce the wind suctions generated on the roofs by conical vortices.

Influence of an upstream building on the wind-induced mean suction on the flat roof of a low-rise building

The effect of an upstream building on the suction forces on the flat roof of a low-rise building placed in the wake of the former is analyzed. The analysis has been performed by wind tunnel testing of a flat roof, low-rise building model equipped with pressure taps on the roof and different block-type buildings (only configurations where the upstream building is as high or higher than the downstream one are considered in this paper). The influence of the distance between both buildings on the wind loads on the downstream building roof is analyzed, as well as the height of the upstream one and the wind angle of incidence. Experimental results reveal that the wind load increases as the relative height of the upstream building increases, the wind load being highest for intermediate distances between buildings, when a passage between them is formed.

Roof region dependent wind potential assessment with different RANS turbulence models.

The analysis of the wind flow around buildings has a great interest from the point of view of the wind energy assessment, pollutant dispersion control, natural ventilation and pedestrians wind comfort and safety. Since LES turbulence models are computationally time consuming when applied to real geometries, RANS models are still widely used. However, RANS models are very sensitive to the chosen turbulence parametrisation and the results can vary according to the application. In this investigation, the simulation of the wind flow around an isolated building is performed using various types of RANS turbulence models in the open source code OpenFOAM, and the results are compared with benchmark experimental data. In order to confirm the numerical accuracy of the simulations, a grid dependency analysis is performed and the convergence index and rate are calculated. Hit rates are calculated for all the cases and the models that successfully pass a validation criterion are analysed at different regions of the building roof, and the most accurate RANS models for the modelling of the flow at each region are identified. The characteristics of the wind flow at each region are also analysed from the point of view of the wind energy generation, and the most adequate wind turbine model for the wind energy exploitation at each region of the building roof is chosen.

Wind turbine wakes for wind energy

During recent years, wind energy has moved from an emerging technology to a nearly competitive technology. This fact, coupled with an increasing global focus on environmental concern and a political desire of a certain level of diversification in the energy supply, ensures wind energy an important role in the future electricity market. For this challenge to be met in a cost-efficient way, a substantial part of new wind turbine installations is foreseen to be erected in big onshore or offshore wind farms. This fact makes the production, loading and reliability of turbines operating under such conditions of particular interest.

Regression analysis of top of descent location for idle-thrust descents

In this paper, multiple regression analysis is used to model the top of descent (TOD) location of user-preferred descent trajectories computed by the flight management system (FMS) on over 1000 commercial flights into Melbourne, Australia. In addition to recording TOD, the cruise altitude, final altitude, cruise Mach, descent speed, wind, and engine type were also identified for use as the independent variables in the regression analysis. Both first-order and second-order models are considered, where cross-validation, hypothesis testing, and additional analysis are used to compare models. This identifies the models that should give the smallest errors if used to predict TOD location for new data in the future. A model that is linear in TOD altitude, final altitude, descent speed, and wind gives an estimated standard deviation of 3.9 nmi for TOD location given the trajectory parame- ters, which means about 80% of predictions would have error less than 5 nmi in absolute value. This accuracy is better than demonstrated by other ground automation predictions using kinetic models. Furthermore, this approach would enable online learning of the model. Additional data or further knowledge of algorithms is necessary to conclude definitively that no second-order terms are appropriate. Possible applications of the linear model are described, including enabling arriving aircraft to fly optimized descents computed by the FMS even in congested airspace.