Modelado, dimensionamiento y control de un convertidor undimotriz tipo Brazo-Flotador Oscilante

Abstract

La energía de las olas posee un potencial significativo como fuente de energía renovable, lo que ha impulsado el desarrollo de diversas tecnologías de convertidores undimotrices (WEC) a lo largo de los años. Dentro de la gran variedad existente, los absorbedores puntuales han ganado popularidad recientemente. A pesar de esto, actualmente no se ha alcanzado una convergencia en el diseño de estas tecnologías, y sigue siendo un tema de investigación incipiente. Los WEC transforman la energía mecánica de las olas en una forma más conveniente, típicamente eléctrica, a través de la unidad de extracción de potencia (PTO). Existen diversas tecnologías de PTO, siendo las más comunes la neumática , hidráulica y mecánica . Las propiedades y características del PTO influyen significativamente en el comportamiento dinámico del WEC, en la eficiencia de absorción de energía , el mantenimiento y en la capacidad de supervivencia del dispositivo. Para analizar de manera integral y controlar efectivamente la extracción de energía en los sistemas de conversión undimotriz, es esencial contar con un modelo dinámico apropiado. Dicho modelo desempeña un papel central en el diseño , optimización, parametrización y determinación de la capacidad de absorción de potencia del WEC. Además, permite realizar pruebas sistemáticas de diferentes estrategias de control con el objetivo de maximizar la captura de energía . Esta tesis se centra en el modelado, diseño y control de convertidores de energía de las olas del tipo absorbedores puntuales de brazo-flotador oscilante. En particular, se estudia el modelado y control de convertidores que poseen un PTO mecánico basado en un rectificador de movimiento (MMR). Considerando las múltiples dificultades a abordar, se propone un diseño específico de un WEC tipo brazo-flotador oscilante con un PTO basado en MMR y se detalla cómo cada etapa del convertidor intenta superar los desafíos inherentes a la conversión de energía de las olas. En primer lugar, se propone un método de dimensionamiento para convertidores de energía de las olas tipo brazo-flotador oscilante, basado en un modelo hidrodinámico semiparamétrico. Este enfoque permite relacionar el clima de olas con los parámetros del dispositivo, facilitando su diseño y optimización . Además, se presenta un método para determinar la capacidad del dispositivo, con el objetivo de evitar el sobredimensionamiento de la potencia instalada. El enfoque de diseño busca mejorar el rendimiento y la eficiencia de los sistemas de conversión de energía undimotriz, adaptándolos adecuadamente al clima de olas del sitio de instalación seleccionado. Asimismo, se presenta un nuevo modelo dinámico para dispositivos basados en MMR de entrada única y salida única (SISO). A través del modelo propuesto, se resuelven las limitaciones de las formulaciones existentes que afectan la precisión en la representación de la respuesta dinámica y restringen las estrategias de control posibles. A lo largo del estudio, se describen rigurosamente todas las no linealidades asociadas a estos sistemas, se introducen sus diversos modos de transmisión junto con sus condiciones de conmutación , integrándolos en un conjunto conciso de ecuaciones de movimiento generalizadas. Además, se incorpora un modelo de fricción no lineal completo al modelo propuesto y se proporciona un método para controlar activamente los diversos modos de transmisión introducidos. Se desarrolla un algoritmo que permite la implementación numérica del modelo propuesto y se introduce un procedimiento de identificación basado en pruebas experimentales y esquemas de optimización para determinar los parámetros del modelo que representan un dispositivo MMR real. Una vez identificada la planta, se valida el modelo propuesto al comparar simulaciones numéricas con resultados experimentales, demostrando su capacidad para replicar la respuesta dinámica no lineal característica de los dispositivos que incorporan un MMR. El modelo resultante proporciona una descripción dinámica más precisa que las formulaciones actuales y sirve como un enfoque de modelado unificado para cualquier dispositivo basado en un MMR SISO. Adicionalmente, se presenta una nueva analogía circuital para el modelado de WECs basados en MMR, incluyendo una representación eléctrica del modelo de fricción implementado, superando las limitaciones de los circuitos existentes. A partir de la analogía propuesta, se deducen también expresiones para las no linealidades intrínsecas del MMR y se verifica analíticamente y experimentalmente la equivalencia del circuito derivado con el modelo generalizado de MMRs SISO. Se demuestra la eficacia de la analogía eléctrica derivada al simular y controlar sistemas PTO en aplicaciones de energía de las olas, especializando el circuito para representar un WEC tipo brazo-flotador oscilante y una carga controlada. En este contexto, se compara el rendimiento del control reactivo en el WEC con MMR con un dispositivo lineal clásico, evidenciando el impacto de las no linealidades introducidas por el MMR en el control reactivo. Además, se realiza una optimización no lineal en el dominio del tiempo para la carga controlada del WEC basado en MMR, considerando las frecuencias de olas más comunes encontradas en la naturaleza. De este modo, se destaca la utilidad y eficacia de la analogía eléctrica para modelar y diseñar estrategias de control en dispositivos con MMR en aplicaciones de energía de las olas. En conjunto, el estudio presentado a lo largo de esta tesis contribuye al avance en el diseño , modelado y control de sistemas de conversión de energía de las olas tipo brazo-flotador oscilante que integran un PTO basado en un rectificador mecánico de movimiento.