Tesis:
Experimental Study of Self-Excited Aeroelastic Instability in Two-Dimensional Single-Axis Flat Solar Trackers
- Autor: Cárdenas Rondón, Juan Andrés
- Título: Experimental Study of Self-Excited Aeroelastic Instability in Two-Dimensional Single-Axis Flat Solar Trackers
- Fecha: 2024
- Materia:
- Escuela: E.T.S.I. AERONÁUTICA Y DEL ESPACIO
- Departamentos: AERONAVES Y VEHICULOS ESPACIALES
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/80853/
- Director/a 1º: OGUETA GUTIÉRREZ, Mikel
- Director/a 2º: FRANCHINI LONGHI, Sebastian Nicolas
- Resumen: The steady growth in global energy demand, particularly in the field of electricity, which is estimated to increase by 25% to 30% by 2030, along with the climate change, have significantly impulse the use of renewable energy sources, especially wind and solar power, which currently account for 28% of the electricity supply. Within the photovoltaic energy sector, single-axis flat solar trackers offer the most cost-effective solution. These systems consist of a north-south oriented axis or torque tube, along which solar panels are placed. With a control system and motor, the angle of the solar panels is adjusted throughout the day to maximise their perpendicular alignment with the sun. The structure of these systems accounts for approximately 35% of their cost, driving the industry to systematically reduce structural expenses to enhance cost-effectiveness.
However, the reduction in structure of flat solar trackers has resulted in decreased structural stiffness, leading to the emergence of aeroelastic phenomena such as self-excited instabilities and buffeting. This study focuses specifically on investigating self-excited oscillations for two main reasons: they cause significant structural damage to the trackers, and there is a lack of consensus in the limited scientific literature regarding the responsible physical phenomena.
Therefore, the objectives of this study are twofold. Firstly, to conduct a quantitative analysis of the phenomenon to predict the wind speeds at which it occurs and determine the influence of parameters such as nominal angle of attack and height of the tracker axis above the ground related to the chord, H/B. Secondly, to perform a qualitative analysis of the flow around an oscillating solar tracker to analyse the flow morphology and identify the cause of instability. To facilitate these studies, two significant assumptions are made: the investigation focuses on a two-dimensional isolated flat solar tracker, without any upstream or downstream trackers, and the problem is linearized by assuming small disturbances in both displacement and incident wind speed.
To achieve these objectives, different wind tunnels experimental set-ups were designed and used. Non-stationary aerodynamic moment was measured by determining the aerodynamic derivatives, A2 and A3, while flow visualisation tests with smoke were conducted to observe flow morphology. These experiments were carried out through a collaboration between the Instituto Universitario de Microgravedad "Ignacio Da Riva" at Universidad Politécnica de Madrid and the Grupo de Transporte Aéreo y el Grupo de Ingeniería Aplicada a la Industria at Universidad Nacional de La Plata.
Through the conducted analyses, a detailed study of the influence of the H/B and the nominal angle of attack on the aerodynamic derivatives was accomplished. Additionally, an iterative method was presented and validated to calculate the effective damping of the system based on the incident wind speed and the geometric and structural characteristics of the tracker. The visualisations provided conclusive evidence that the self-excited instability phenomenon observed in single-axis flat solar trackers is the Stall Flutter, induced by the dynamic separation of the boundary layer during oscillations. Finally, by examining the flow morphology around the tracker, a correlation between the generated vortexes during oscillations and the estimated aerodynamic derivatives was established.
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 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 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 el ángulo nominal 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.