II Máster Energía Solar y Renovables. Módulo- Energía Eólica Tema 4- Aerogeneradores

8/18/2019 II Máster Energía Solar y Renovables. Módulo- Energía Eólica Tema 4- Aerogeneradores

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II Máster

Energía Solar y Renovables

Módulo: Energía eólica

Tema 4: Aerogeneradores


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II Máster de Energía Solar y Renovables: Módulo Energía Eólica

Índice Tema 3: Aerogeneradores

1. Tipos de aerogeneradores.

1.1. Clasificación.1.2. Clasificación por rendimiento aerodinámico.

2. Aerogeneradores de eje horizontal.2.1. Clasificación.

2.1.1. Clasificación por tamaño.2.1.2. Clasificación por el número de palas del rotor.

2.1.3. Clasificación por el tipo de generador eléctrico.2.1.4. Clasificación por la velocidad de giro del rotor.2.1.5. Clasificación por el tipo de palas.2.1.6. Clasificación por la resistencia al viento.

3. Partes de un sistema eólico.3.1. Rotor.

3.1.1. Palas.3.1.2. Buje o cubo.3.1.3. Nariz.

3.2. Multiplicadora o caja de engranajes.3.3. Generador eléctrico.

II MÁSTER ENERGÍA SOLAR Y RENOVABLES_MÓDULO ENERGÍA EÓLICA 2


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II Máster de Energía Solar y Renovables: Módulo Energía Eólica

Índice Tema 3: Aerogeneradores

3.3.1. Generador asíncrono.

3.3.2. Generador síncrono.3.3.3. Configuraciones.3.4. Sistemas de regulación de potencia y velocidad.

3.4.1. Variación del ángulo de paso de las palas.3.4.2. Control por desprendimiento de flujo.

3.5. Sistemas de orientación.

3.6. Conexiones a red.3.7. Dispositivos de seguridad.3.8. Electrónica de control.3.9.3.10. Torres.

3.4.1. Torres de celosía.

3.4.2. Torres tubulares.4. Curvas características de un aerogenerador.

4.1. Curva de potencia de un aerogenerador.4.2. Coeficiente de empuje.

5. Elección del aerogenerador.



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1. Tipos de aerogeneradores eólicos

Al seleccionar el aerogenerador idóneo para unas condiciones de viento tenemos dos

datos de partida fundamentales:

- El régimen de vientos disponible, que va fijar cuál esla máquina que más adecuadamente puedeaprovechar las corrientes de viento incidentes.

- La energía que deseamos obtener en un periodo detiempo dado, y que va a determinar el área que debebarrer el rotor (A) y, en definitiva, el tamaño de lamáquina.

Nos centraremos en los distintos tipos de rotores eólicos que podemos encontrar.Entre ellos existen diferencias de rendimiento notables, resultando cada uno másadecuado a un determinado régimen de vientos.



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En un perfil aerodinámico inmerso en una corriente de viento y que al perturbar el

flujo crea un gradiente de presiones entre ambas caras, de las que resulta una fuerzaresultante F.

Las proyecciones de la fuerza resultante, F, da lugar a una fuerza paralela al viento,fuerza de resistencia, y una perpendicular al mismo, fuerza de sustentación.


1.1. Clasificación


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Aerogeneradores de eje horizontal

El eje de giro es paralelo a la dirección del viento (aerogeneradores convencionales).En función de la disposición del rotor frente al viento los aerogeneradores de ejehorizontal se dividen en:

A barlovento:- El rotor se dispone enfrentado al viento y antes de la torre que lo sustenta.- Disposición más común entre los aerogeneradores de eje horizontal para

producción de energía en parques eólicos.- El viento incide con toda su energía sobre las palas del rotor sin salvar ningún

obstáculo previo.- Para orientar la máquina frente al viento, es necesario un sistema activo

basado en un motoreductor.


1.1. Clasificación

A sotavento- El rotor se dispone orientado pero tras la torre.- La extracción de energía se ve reducida por el

obstáculo que supone la torre para el viento.- Se emplea en aerogeneradores de baja y muy

baja potencia.


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Aerogeneradores de eje vertical

Dentro de este tipo de turbinas se pueden destacar los siguientes diseños:

• Máquina de rotor tipo Savonious, cuya sección recta tiene forma de S y en la quela acción fundamental del viento sobre ella tiene el carácter de resistencia. Estamáquina tiene un rendimiento bajo, por lo que únicamente es idónea, por susimplicidad, para potencias muy pequeñas.


1.1. Clasificación


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Aerogeneradores de eje vertical

• Máquinas de rotor tipo Darrieus integrada por varias palas cuya sección rectatiene la forma de un perfil aerodinámico. Las palas están unidas por sus extremosal eje vertical, estando arqueadas en una forma similar a la que tomaría unacuerda girando alrededor del eje.


1.1. Clasificación


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Las ventajas que presentan los aerogeneradores de eje horizontal son las siguientes:

1. Su rendimiento (coeficiente de potencia) es mayor que el correspondiente a los deeje vertical.

2. Su velocidad de rotación es más elevada que la de los aerogeneradores Darrieus(requieren cajas de engranajes con menor relación de multiplicación).

3. La superficie de la pala es menor que en los modelos de eje vertical para unamisma área barrida.

4. Los sistemas de sujeción de los modelos Darrieus impiden elevar la turbina tantocomo en los modelos de eje horizontal. Para una misma área barrida se obtendrámenor potencia en los de tipo Darrieus por aprovecharse menos el aumento de lavelocidad del viento con la altura.

Como contrapartida, los aerogeneradores Darrieus tienen las siguientes ventajas:

1. Su simetría vertical hace innecesario el uso de un sistema de orientación, comoocurre con las máquinas de eje horizontal para alinear el eje de la turbina con ladirección del viento.

2. La mayoría de los componentes que requieren mantenimiento están localizados anivel del suelo.

3. No requieren mecanismo de cambio de paso en aplicaciones a velocidad constante.


1.1. Clasificación


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Otros

Existen otros dispositivos, más o menos ingeniosos utilizando como:

- El efecto venturi.

- El calentamiento solar.

- La vorticidad inducida

- Pared deflectora.

Aunque todos ellos son de mucha menor aplicación.


1.1. Clasificación


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En la gráfica se muestran los rendimientos aerodinámicos de los distintos tipos de

máquinas eólicas. Dichos valores están representados en función de la velocidadespecífica λ0 definida como:

λ 0 = ∙

siendo

Ω velocidad de giro;

R radio de la pala;

V la velocidad del vientoincidente sobre el rotor.


1.2. Clasificación por rendimiento aerodinámico


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Analizando la gráfica se puede observar las

siguientes consideraciones:1. Las velocidades de viento para el

funcionamiento de la multipala de ejehorizontal y el rotor Savonius son muyinferiores a las necesarias para elfuncionamiento de un Darrieus o unbipala.

2. Los valores de CP y por tanto laspotencias obtenidas por losgeneradores Darrieus y bipala son másbajos que los Savonius y multipala.

3. La parte de λ0 > 3,5 las palas funcionan por sustentación y para λ0 < 3,5 el valorinfluyente es la resistencia.

4. Todos los CP son más bajos que el límite de Betz, rendimiento ideal de los molinosque da CP = 16/27, máxima potencia que se puede obtener.




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Según la velocidad específica λ0 los aerogeneradores se clasifican en:

Lentos:

- Aquellos que presentan una curva característica centrada en valores λ02.

- Se utilizan en aplicaciones de producción de energía eléctrica al presentar curvascon valores altos del coeficiente de potencia Cp.




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2. Aerogeneradores de eje horizontal

• Microaerogeneradores

• Miniaerogeneradores

• Aerogeneradores de pequeñapotencia

• Aerogeneradores de mediapotencia

• Aerogeneradores de altapotencia

Tamaño

• Monopala

• Bipala

• Tripala

• Multipala

Número depalas del rotor

• Asíncronos

• Síncronos

Generadoreléctrico

• Aerogenerador develocidad constantede rotor

• Aerogenerador develocidad variable derotor

Velocidad degiro del rotor

• Palas de paso fijo

• Palas de pasovariable

Tipo de palas

• Clase delaerogenerador

• I, II, III o especial

• A,B o C

Resistencia alviento


2.1. Clasificación


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2.1. Clasificación

Microaerogeneradores

- Potencia inferior a 1 kW.- Presentan un radio del rotor menor de 1 m.- Sus aplicaciones representativas son: embarcaciones, sistemas de comunicación,

refugios de montaña, iluminación, etc.

Miniaerogeneradores

- Potencia comprendida entre 1 kW y 10 KW.- Presentan un radio de rotor comprendido entre 1 y 3 m.- Sus aplicaciones representativas son: granjas, viviendas aisladas, ,sistemas mixtos

eólico-fotovoltaicos, bombeo, etc.

Aerogeneradores de pequeña potencia

- Potencia comprendida entre 10 y 100 kW.- Presentan un radio de rotor comprendido entre 3 y 9 m.- Sus aplicaciones representativas son: comunidades de vecinos, pequeñas

empresas, sistemas mixtos eólico-diesel, drenaje, tratamiento de aguas, etc.


2.1.1. Clasificación por tamaño


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2.1. Clasificación

Aerogeneradores de media potencia

- Potencia comprendida entre 100 y 1.000 kW.- Presentan un radio de rotor comprendido entre 9 y 27 m.- Sus aplicaciones representativas son parques eólicos en tierra y en el mar.

Aerogeneradores de alta potencia - Potencia comprendida entre 1.000 y 10.000 kW.

- Presentan diámetros de rotor comprendido entre 27 y 100 m, aunque actualmentese están incrementando los diámetros del rotor.

- Sus aplicaciones representativas son parques eólicos en tierra y en el mar.

Actualmente están en fase de investigación, requiriendo nuevos diseños y materiales,distintos a los convencionales. Estas máquinas suponen un salto tecnológico quepuede revolucionar los actuales sistemas de producción de energía.


2.1.1. Clasificación por tamaño

«Actualmente, el aerogenerador comercial de mayor potencia es de 9 MW»


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2.1. Clasificación

Monopala

- Poco utilizados.- La ventajas de disminuir el número de palas, el par de accionamiento y las masasde la máquina, pero incrementa de forma considerable la velocidad de giro y de lapunta de la pala, creando problemas de emisión de ruido.

- Presentan problemas de estabilidad y fatiga.- Presentan una curva característica con valores máximos de Cp en torno a 0,4.

Bipala- Se emplean para producción de energía eléctrica en parque eólicos.- Apenas existen aerogeneradores de este tipo en instalaciones comerciales.- Siguen presentando problemas dinámicos aunque menores que los monopala.- Presentan una curva característica con valores máximos de Cp en torno a 0,45.

Tripala

- Aerogeneradores más empleados para la producción de energía eléctrica.- No presentan los problemas dinámicos de los monopala y bipala. El momento de

inercia es constante para todos los ángulos azimutales circunferenciales.- Baja velocidad de punta de pala, evitando problemas de emisión de ruido.- Alcanzan unos valores mayores de Cp en su curva característica.


2.1.2. Clasificación por el número de palas del rotor


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2.1. Clasificación

Multipala

- Aerogeneradores se caracterizan por giran a bajas velocidades y ofrecer un granpar.- Se emplean en aplicaciones que requieren mucho par como por ejemplo la

extracción de agua a través de aerobombas.- Presentan una curva característica de picos de Cp muy bajos, del orden de 0,15,

por lo que no se emplean para producción de energía eléctrica.


2.1.2. Clasificación por el número de palas del rotor


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2.1. Clasificación

Según el generador eléctrico instalado en el aerogenerador se distinguen los

siguientes tipos:

Generador asíncrono

Son los motores eléctrico clásicos más utilizados en cualquier aplicación industrial. Suelevada robustez y sencillez ha impulsado su empleo dentro de los aerogeneradores.Su mayor inconveniente es la necesidad de una batería de condensadores aplicada a la

salida, que permite compensar el factor de potencia y la energía reactiva generada y elmal comportamiento que presenta frente a los huecos de tensión.

Generador síncrono

La generación de energía eléctrica se produce a una velocidad constante, denominadavelocidad de sincronismo. Precisa una corriente de excitación continua, que se ha de

generar o bien internamente (autoexitación) o bien de forma auxiliar mediante unadinamo externa. Se comportan bien frente a los huecos de tensión pero presentan elinconveniente de genera armónicos.


2.1.3. Clasificación por el tipo de generador eléctrico


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2.1. Clasificación

Según la velocidad de giro del rotor del aerogenerador se distinguen los siguientes

tipos:

Aerogenerador de velocidad constante de rotor

Se caracterizan por mantener siempre constante la velocidad del rotor,independientemente de la velocidad del viento incidente. Presentan la ventaja de susimplicidad pero el inconveniente de una menor extracción de potencia.

Aerogenerador de velocidad variable de rotor

La velocidad del rotor se ajusta a la velocidad del viento, de tal forma que paravelocidades bajas del viento se tienen velocidades bajas de rotor y para velocidadesaltas del viento se tienen velocidades altas de rotor. Este seguimiento por parte delrotor de la velocidad del viento permite que el coeficiente de potencia se sitúe en la

zona de máximo valor, por lo que estos aerogeneradores presentan la ventaja de unamayor extracción de potencia. Por el contrario su tecnología es más sofisticada y suprecio más elevado.


2.1.4. Clasificación por la velocidad de giro del rotor


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2.1. Clasificación

Según el tipo de palas del rotor del aerogenerador se distinguen los siguientes tipos:

Aerogenerador con palas de paso fijo

Las palas de los aerogeneradores está montada de forma fija sin posibilidad deregulación. En este caso el control de potencia es pasivo, es decir sin actuación sobrela máquina. Este tipo de palas se emplea en aerogeneradores de velocidad constantede rotor.

Aerogeneradores con palas de paso variable

Las palas de estos aerogeneradores presentan la posibilidad de giro sobre su eje,acción que se utiliza para controlar la extracción de potencia de la máquina. Este tipode palas se emplea en aerogeneradores de velocidad variable de rotor.


2.1.5. Clasificación por el tipo de palas


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2.1. Clasificación

De acuerdo con lo establecido en la norma UNE-EN61400-1, que reproduce la norma

de la Comisión Internacional de Electrotecnia, IEC 61400-1, los aerogeneradores seclasifican en función de las condiciones del viento, caracterizado por su velocidad yturbulencia.

Esta clasificación, que se ha realizado para una vida de los aerogeneradores de 20años, describe el grado de robustez de la máquina, de forma que la más robusta serála apropiada para vientos más agresivos.

En la siguiente tabla se indica la clasificación según la norma IEC 61400-1. Segundaedición.1999:


2.1.6. Clasificación por su resistencia al viento

WTGS class I II III IV S

Vref (m/s) 50 42,5 37,5 30To be

specifiedVave (m/s) 10 8,5 7,5 6A I15 0,18 0,18 0,18 0,18

B I15 0,16 0,16 0,16 0,16


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2.1. Clasificación

La clasificación según la norma IEC 61400-1. Segunda edición 3.2005 aparece en la

siguiente tabla:

siendo

Vref Velocidad media de referencia diezminutaría (máxima velocidad mediaobtenida con mediciones diezminutarias);

A categoría para vientos con altas turbulencias;B categoría para vientos con bajas turbulencias medias;

C categoría para vientos con bajas turbulencias;

Iref intensidad de turbulencia cuando el viento presenta una velocidad mediadiezminutaría de 15 m/s.



Wind Turbine class I II III S

Vref (m/s) 50 42,5 37,5 To bespecified

by the

designer

A Iref (-) 0,16

B Iref (-) 0,14C Iref (-) 0,12


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2.1. Clasificación

Se distingues tres clases (I,II y III) en función de la velocidad de referencia Vref, y tres

categorías (A, B y C) en función de la intensidad de turbulencia de referencia Iref.Cuanto menor es la clase la turbina es capaz de soportar vientos más fuertes. Cuantomenor es la letra de la categoría mayor es la intensidad de turbulencia que es capaz desoportar el aerogenerador.

Para otras condiciones de viento se define la clase S, cuyas características no estántabuladas como las indicadas anteriormente, por lo que el fabricante debe indicarpara que condiciones de viento está diseñada la turbina.



«El aerogenerador más robusto es por tanto el clasificado como clase I,

categoría A, designado como “clase IA”»


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3. Partes de un sistema eólico

Los elementos principales de un aerogenerador

de gran potencia, tripala de eje horizontalorientado a barlovento, que son los utilizados enlos grandes parques eólicos para la generación deenergía eléctrica, son:

- Palas.- Góndola o nacelle.

- Torre o fuste.

Además, en estos aerogeneradores podemosencontrar los siguientes ángulos:

- Ángulo de guiñada (giro de orientación al

viento).- Ángulo de paso o ángulo de pitch (giro de las

palas).- Ángulo de inclinación (inclinación de nacelle).- Ángulo de conicidad (inclinación de las palas).


PALAS

GÓNDOLAO NACELLE

TORRE

O FUSTE


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Un sistema de generación eólica está formado por otros subsistemas menores querealizan una determinada función. En concreto, para las máquinas utilizadas para lageneración eoloeléctrica en grandes parques, los subsistemas que podemos encontrarse presentan de manera descriptiva son:


- Rotor.- Caja de engranajes.- Generadores eléctricos.

- Sistemas de regulación depotencia y de velocidad.

- Sistemas de orientación.- Sistemas de conexión a red.- Sistemas de seguridad.- Controladores electrónicos

locales.- Elementos de acoplamiento

mecánico.- Chasis principal.- Torres.


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Los subsistemas básicos que constituyen el rotor son:

- Las palas o aspas.- El buje o cubo.- La nariz.

Su función es convertir la energía cinética del viento en la energía mecánica que seutiliza para impulsar el generador eléctrico.

El parámetro fundamental que caracteriza el comportamiento de este subsistema es elcoeficiente de potencia definido como la relación entre la potencia mecánica que sedesarrolla en su eje y la potencia eólica disponible en su área de barrido.

Alfred Betz calculó un valor máximo teórico del 59,26% para este parámetro. Sinembargo, desprecia factores de pérdida tales como: la fricción, rotación de la esteladetrás del rotor y pérdidas en la cercanía de la punta de las palas. En la práctica, estos

factores reducen el máximo de Cp a valores cercanos al 50%.


3.1. Rotor

«Un rotor aerodinámico de eje horizontal, en el mejor de los casos de diseño yoperación, sólo puede extraer cerca del 50% de la potencia del viento

disponible en su área de barrido.»


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La fuerza del viento ocasiona que un rotor aerodinámico de eje horizontal gire a unacierta velocidad angular. El flujo eólico que incide sobre las palas de un rotor enmovimiento depende, entre otros factores, de la relación entre la velocidad lineal dela pala y la velocidad del viento.

Así, para la geometría global de un rotor, la magnitud adimensional de este elementoestá dada por:

λ =Ω ∙

siendo:

λ velocidad específica; Ω velocidad de giro; R radio del rotor; V velocidad del vientoincidente sobre el rotor.

El producto ΩR es la velocidad de arrastre U en el punto considerado, de modo que

λ =

La relación entre el coeficiente de potencia del rotor Cp y λ depende, entre otrosfactores, de la geometría del perfil aerodinámico que se selecciona para diseñar laspalas.


3.1. Rotor


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3.1. Rotor

Las palas están fabricadas y diseñadas con el fin de alcanzar un balance óptimo en lacaptación eficaz de la energía del viento y lograr una mínima carga sobre la turbina, almismo tiempo que un funcionamiento libre de problemas.

El material utilizado para la fabricación de las palas depende:

- La forma de la aeroturbina. El conformado de la pala debe ser el adecuado y portanto el material debe poder ser tratado y adaptado a la forma idónea sin pérdidade propiedades resistentes.

- El comportamiento del material para las distintas situaciones de carga que sepuedan producir.


3.1.1. Palas

«Las palas de un aerogenerador de eje horizontal son los elementosencargados de captar la energía cinética del viento»


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3.1. Rotor

Las palas de una aeroturbina se diseñan bajo formas constructivas y con materialesque deben atender principalmente a los requisitos siguientes:

- Resistencia estructural: soportar las cargas máximas previsibles de ocurrir duranteel período de vida de la máquina.

- Resistencia a fatiga: soportar las cargas de fatiga que aparezcan durante la vida dela máquina (25 años).

- Rigidez: Desplazamientos inferiores a los máximos permitidos, para evitar

inestabilidades.- Peso: debe ser el mínimo necesario para tener el mínimo coste y minimizar las

cargas de tipo inercial y gravitatorio sobre los diversos componentes de la máquina(es crítico en grandes aeroturbinas).

- Fabricación: Facilidad de fabricación que requiera técnicas y materiales adaptadosa la maquinaria y tecnología existente en la industria.

- Resistencia a los ambientes medioambientales: Resistencia a la corrosión enambientes marinos y a la degradación por la radiación solar.

- Minimizar la emisión de ruido acústico: Diseño encaminado a producir el menorimpacto acústico para facilitar la instalación de estos sistemas cerca de sitioshabitados.


3.1.1. Palas


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3.1. Rotor

Los posibles materiales a emplear en palas de aeroturbinas:

Madera

- Ampliamente usada históricamente en la construcción de palas de rotorespropulsoras en aviación y se utiliza en la actualidad en aerogeneradores depequeño tamaño.

- Baja densidad, disponibilidad, buenas características de fatiga, bajo coste y fácil

mecanizado.- Bajas propiedades mecánicas, irregularidades (nudos), fibra no rectilínea y

absorber la humedad lo que causa un deterioro en sus características mecánicas.


3.1.1. Palas


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3.1. Rotor

Acero

- Alta resistencia y módulo elástico, tenacidad, facilidad de fabricación mediantesoldadura y bajo coste.

- Gran densidad que aumenta muy desfavorablemente las cargas gravitatorias einerciales que actúan sobre la aeroturbina.

- Facilidad para la corrosión, obliga al adecuado tratamiento o protecciónsuperficial.

Aluminio

- Densidad muy inferior al acero y muy buenas propiedades mecánicas especificas yresistencia a la corrosión.

- Resistencia a la fatiga es en general baja, excepto si se utilizan aleacionesaeronáuticas.

- Las formas constructivas mas utilizadas serían los perfiles continuos fabricados porextrusión o a base de chapas de espesor delgado unidas mediante remaches.


3.1.1. Palas


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3.1. Rotor

Materiales compuestos

- Material muy apropiado para la fabricación de palas de aeroturbinas.- Permite desarrollar complicadas formas, sumamente esbeltas, de perfiles

aerodinámicos con superficies externas muy lisas para conseguir la adecuadaeficiencia aerodinámica de las palas.

- Se pueden construir palas de gran robustez y resistencia para conseguir laadecuada resistencia estructural de las palas para soportar las elevadas cargasproducidas durante la vida en servicio de la máquina.

- El material compuesto de fibra de vidrio y poliéster conjuga unas características deresistencia elevadas con un mínimo peso y un coste reducido.

- Versatilidad de formas de fabricación y la posibilidad de ser moldeados con lasformas que se deseen, pudiéndose distribuir la resistencia y espesor de acuerdo a

las exigencias del diseño.- Bajo coeficiente de dilatación y conductividad eléctrica (buen comportamiento

frente a rayos).


3.1.1. Palas


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3.1. Rotor

Materiales compuestos

- El comportamiento frente a la fatiga de los materiales compuestos es superior alde otros materiales convencionales.

- Entre los inconvenientes que tienen los materiales compuestos para la fabricaciónde palas están:

- Materias primas todavía caras (excepto fibra de vidrio).

- Necesitan procesos de fabricación no estándar (fabricación manual).- Comportamiento estructural no intuitivo.

- Falta de bases de datos fiables de características mecánicas.


3.1.1. Palas

«Las palas de un aerogenerador actualmente se fabrican de fibra de vidrioestando formadas por un larguero de alta resistencia generalmente de

fibra de carbono y un conformado de perfil variable y altamenteaerodinámico, recubierto de resina epoxi más fibra de vidrio»


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3.1. Rotor

Todas las palas del aerogenerador se unen de forma solidaria a un soportedenominado buje o cubo. Según el tipo de unión o anclaje de las palas, éstas seclasifican en:

De paso fijo

No admite rotación de la pala sobre su eje,realizándose el control de potencia mediante undiseño de pérdida aerodinámica de las palas,

incluyendo un freno aerodinámico en el extremode las mismas.


3.1.1. Palas

De paso variable

Admite la rotación controlada de la pala sobre su eje através de unos rodamientos y un grupo hidráulico. Precisade un equipo de control de paso (eléctrico o mecánico).


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3.1. Rotor

El buje del rotor es el elemento donde se unen las palas y mediante el cual la potenciacaptada por el rotor se transmite al eje principal. En función de si el rotor estáformado por dos o tres palas pueden presentarse dos tipos de buje:

Rígido (para aerogeneradores de tres palas)

- Estructura metálica hueca que típicamente se construye con base en una fundiciónde acero nodular.

- Permite un acoplamiento firme de las palas a través de pernos roscados o cuerdasmetálicas embebidas en el material de las palas.

- Se incluyen grupos hidráulicos encargados de accionar los frenos aerodinámicos depunta de pala (palas de paso fijo) o los mecanismos de giro de palas (pasovariable)

- Se acopla rígidamente con el eje principal del aerogenerador.

Basculante (para aerogeneradores de dos palas)

- Permite un ligero movimiento de las palas en una dirección perpendicular al planodel rotor (permite un desplazamiento angular de 2,5º respecto al plano normal deleje de rotación). Esto ayuda a reducir las cargas dinámicas.


3.1.2. Buje o cubo


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3.1. Rotor

La nariz del rotor es una cubierta frontal en forma de cono.

Sirve para desviar el viento hacia el tren motor y mejorar la ventilación en el interior,eliminar turbulencia indeseable en el centro frontal del rotor y mejorar el aspectoestético.


3.1.3. Nariz


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Los aerogeneradores, que no son de generador multipolo, disponen de multiplicadorque permite la multiplicación de velocidad, adaptando el eje de baja velocidad (eje delrotor) con el eje de alta velocidad (eje que acopla al generador).

En la selección o diseño de una caja de engranes para aerogeneradores se busca:

- Relación óptima entre su capacidad de carga, su tamaño y su peso.

- Operar con eficiencia alta y emitir poco ruido.- Las cajas de engranes deben ser fiables y fáciles de mantener.

- La lubricación en la caja de engranes de un aerogenerador se realiza porsalpicadura y solamente se proveen medios para mantener la temperatura dellubricante dentro de los valores recomendados.


3.2. Multiplicador o caja de engranajes


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Las multiplicadoras o cajas de engranajes utilizadas son:

- Cajas de engranes del tipo ejes paralelos.- Cajas del tipo planetario.

Actualmente se utilizan multiplicadoras de tipo planetario porque aunque son máscostosas son más compactas, pesan menos, emiten menos ruido y en condiciones decarga parcial tienen una eficiencia mayor.




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En el mercado se construye, a parte de generadores eléctricos de velocidad nominalbaja, un nuevo diseño en el que ya no es necesaria la caja multiplicadora. En este caso,el rotor se acopla directamente a un generador eléctrico multipolo.

Estos generadores son de fabricación especializada y sus dimensiones sonrelativamente grandes.



«En los aerogeneradores con generador multipolo no se dispone de multiplicadoro caja de engranajes, por tanto no existe el eje de alta velocidad»


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El generador eléctrico, también denominado alternador, es una máquina eléctricaencargada de transformar la energía mecánica de rotación (proveniente del eje de altavelocidad del multiplicador, conectado mediante un acoplamiento elástico) en energíaeléctrica.

Existen dos tipos de generadores: síncronos y asíncronos.


3.3. Generador eléctrico

Generadoreléctrico

Accionamientodirecto

Conmultiplicador

Síncronomultipolar

Asíncrono

Síncronoconvencional

Bobina deexcitación

Imanespermanentes

Rotor jaula deardilla

Rotor bobinado


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Los generadores eléctricos más utilizados para la configuración de sistemas eólicoshan sido los generadores asíncronos, aunque con la reducción de costes en lossistemas eléctricos que separan la producción de energía de la eólica con la propia redeléctrica están empezando a colocarse en mayor número los síncronos.

Los generadores asíncronos son motores de inducción que se utilizan en forma inversahaciéndolos girar a una velocidad mayor que su velocidad de sincronismo. Cuando aun motor de inducción, conectado a la red eléctrica, se le hace girar por encima de su

velocidad de sincronismo, mediante la aplicación de un par motriz en su eje derotación, la potencia mecánica aplicada se transforma en energía eléctrica.

Fundamentalmente, existen dos tipos de generadores asíncronos que se han utilizadopara la integración de aerogeneradores:

- Tipo jaula de ardilla

- Tipo rotor devanado.


3.3.1. Generador asíncrono


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• Jaula de ardilla

- Los del tipo jaula de ardilla son los más utilizadosdebido a que su costo es bajo.

- Requieren poco mantenimiento, son robustos.

- Se pueden conectar directamente (a través deprotecciones y medios de desconexión

adecuados) a la línea eléctrica a la queentregarán energía.

• Rotor devanado



- El generador de inducción de rotor devanado se

utiliza con muy poca frecuencia en laintegración de aerogeneradores.

- Su principal ventaja es la facilidad deimplementar métodos de conexión a línea mássencillos y fiables.

d lé


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Para iniciar la operación de los aerogeneradores con generadores asíncronos, sepermite que su rotor gire libremente (con el generador eléctrico desconectado de lalínea), hasta que el eje del generador eléctrico alcance una velocidad ligeramentemayor que su velocidad de sincronismo. En ese momento, el generador se conecta a lalínea y comienza a producir energía eléctrica (de frecuencia igual a la de la línea).

A partir de la velocidad de sincronismo, la magnitud de la potencia eléctrica que seentrega a la red aumenta en función de la ocurrencia de vientos de mayor intensidad.

Sin embargo, una vez que se alcanza la potencia nominal es necesario limitar lavelocidad del rotor aerodinámico ya que de lo contrario el incremento de la velocidaddel viento podría ocasionar que el generador eléctrico operase por arriba de supotencia nominal.

Si se mantuviera durante algunos minutos una condición de sobrecarga de 10% en el

generador, se alcanzarían temperaturas que podrían dañar su devanado.



d lé i


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En todo el intervalo de operación normal de un generador asíncrono conectado a unalínea eléctrica, su velocidad de giro se mantiene limitada por la frecuencia de la línea.

Para elevar la potencia de salida de un generador asíncrono desde su valor cero hastasu valor nominal, solo se necesita aumentar la velocidad de giro del rotor en unacantidad menor que 1 r.p.m.

Para el generador tipo jaula de ardilla, su relación par-velocidad, en las cercanías de lavelocidad nominal, permite un amortiguamiento de la variación constante del parmotriz en el eje principal del aerogenerador. No obstante cuanto más favorable es eldeslizamiento, la eficiencia del generador disminuye.

Una desventaja de estos generadores es que requieren tomar potencia reactiva de lalínea eléctrica a la cual están conectados, lo cual origina un factor de potencia bajoque debe ser mejorado mediante baterías de condensadores.



«Los aerogeneradores que utilizan generadores asíncronos conectados directamente

a la red eléctrica se les conoce como sistemas de velocidad constante»

3 3 G d lé i


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Con objeto de incrementar la producción de energía en los aerogeneradores develocidad constante, en algunos de los primeros modelos se utilizaron dosgeneradores eléctricos mecánicamente acoplados pero de diferente capacidad yvelocidad de sincronismo.

El generador de menor capacidad se utilizaba para velocidades de viento bajas ydespués se conmutaba al generador de mayor tamaño, el cual estaba dimensionadopara la potencia nominal del aerogenerador. Este método fue cambiado por el uso de

generadores de polos conmutables debido a que esta opción resultó más fiable que supredecesora.



«Actualmente, cerca del 95 % de los aerogeneradores comerciales sonsistemas de velocidad constante con generadores eléctricos asíncronos»

3 3 G d lé t i


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Los generadores síncronos no son muy apropiados para integrar aerogeneradores develocidad constante ya que cuando se conectan directamente a la línea eléctricaresultan un sistema demasiado rígido en cuanto a su relación par-velocidad.

Sin embargo en aerogeneradores, la velocidad constante tiene las desventajas:

- Originar cargas dinámicas importantes que exigen su construcción con estructurasrobustas.

- Los rotores trabajan a una eficiencia menor que aquella para la que fuerondiseñados: a velocidad constante, la relación de la velocidad de punta de pala a lavelocidad del viento, varía. Solamente existe un valor de λ para el cual la eficienciadel rotor es máxima.

Estos inconvenientes motivaron el desarrollo de los llamados sistemas de velocidadvariable, para los cuales la velocidad de operación no está limitada por la frecuenciade la línea eléctrica.


3.3.2. Generador síncrono

«Si la velocidad de operación no estuviera limitada por lafrecuencia de la red extraerían más energía del viento»

3 3 G d lé t i


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En las máquinas de velocidad variable:

- Los generadores eléctricos no se conectan directamente a la línea eléctrica, parapermitir que la velocidad de rotación del rotor siga a la velocidad del viento.

- Las cargas dinámicas se reducen y la eficiencia aumenta.

- Se produce electricidad de frecuencia variable, que hace necesario su conversión ala frecuencia de red para poder transferir la energía producida a una línea eléctricaconvencional.

Para la conversión de la frecuencia se utiliza un acondicionador electrónico depotencia que se integra con un rectificador (para convertir la corriente alterna encorriente continua) y un inversor (para convertir la corriente continua en corrientealterna). Esta configuración se conoce como CA-CC-CA.

El incremento de energía generada se estima entre el 10 y el 12%. Sin embargo, laspérdidas en la electrónica lo reducen a ganancias netas entre el 5 y el 8 %.


3.3.2. Generador síncrono

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Generadores asíncronos: un devanado

- No permite ajuste ajuste fino de reactiva.

- Velocidad constante. No permite operacióna velocidad del rotor variable.

- Rotor jaula ardilla o bobinado.

- No hay compensación de picos de par.

- Sólo permite una velocidad de giro porquesólo tiene un devanado.

- Utilizado en máquinas antiguas y P < 1MW.


3.3.3. Configuraciones

3 3 G d lé t i


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Generadores asíncronos: doble devanado

- Simplicidad del generador síncrono. Se encuentra en un paso intermedio entre elgenerador asíncrono y de velocidad variable.

- Permite dos velocidades de operación lenta/rápida.

- Utilizado en máquinas Neg-Micon, Bonus, Made, etc.



3 3 Generador eléctrico


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Generadores asíncronos: rotor bobinado

- Introducción resistencias modificacaracterística par-deslizamiento.

- Permite pequeñas variaciones de lavelocidad (hasta 10%).

- Pérdidas por efecto Joule enresistencias eléctricas.

- Utilizado en máquinas VESTAS.





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Generadores asíncronos: doblemente alimentado

- Constructivamente muy similar al asíncrono convencional.

- Conjuga ventajas del sistema síncrono AC-DC-AC con las del asíncronoconvencional.

- Más barato que síncrono AC-DC-AC.- Permite operación a velocidad variable.

- Permite ajuste fino de potencia reactiva.

- Usado por la mayoría de los fabricantes en grandes aerogeneradores modernos.





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Generadores síncronos: AC-DC-AC

- Permite ajuste fino de reactiva mediante ángulo disparo IGBTs.

- Desacopla las frecuencias de la red y la máquina Permite operación a velocidadvariable.

- Introduce distorsión armónica.

- Evita pérdidas, mantenimiento e inversión en la multiplicadora.- Mayor coste del alternador.

- Devanados rotóricos o imanes permanentes.

- El sistema eléctrico absorbe los picos de par.

- Utilizado en máquinas Enercon y M Torres





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Generadores síncronos: AC-DC-AC



3 Partes de un sistema eólico


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Como ya es conocido, la potencia que proporciona un aerogenerador es proporcionala la velocidad del viento incidente elevada al cubo. En este sentido podría resultar

extraño observar una curva típica de potencia de una máquina eólica y comprobar quea partir de un cierto valor de velocidad de viento esta potencia se ve limitada a lo quees conocido como potencia nominal.

En principio esto no tendría mucho sentido dado que a velocidades superiores lacapacidad de captar energía podría ser mucho mayor. Ahora bien, el problema hay

que plantearlo desde el punto de vista económico. En este sentido, no es convenientediseñar un aerogenerador que, para las velocidades de viento muy altas, intenteextraer el total de la de potencia eólica disponible por:

- Aunque con estas velocidades el aerogenerador (potencialmente) puede generarmayor potencia eléctrica.

- Energéticamente éstas no representan una contribución muy significativa a lolargo del tiempo, debido esencialmente a su baja frecuencia de ocurrencia.

- La excepción puede darse en lugares con regímenes de viento excelentes.


3.4. Sistemas de regulación de potencia y velocidad

3 Partes de un sistema eólico


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Desde el punto de vista práctico, la velocidad nominal de diseño de un aerogeneradores función del compromiso entre (ya que todo ello influye en el coste de la energía

eléctrica a producir):

- El potencial de generación de electricidad.

- Los costos de fabricación y mantenimiento.

- Las expectativas de resistencia y vida útil.

La regulación de potencia y velocidad en aerogeneradores es relativamente compleja,y ha sido uno de los retos principales en el desarrollo de su tecnología. Actualmente,se utilizan los métodos que se describen a continuación.



«Estudios recientes sugieren que el coste más bajo de producción, se puedelograr si se escoge un valor nominal de diseño aproximadamente igual a 1,7

veces la velocidad de viento media anual»

3 4 Sistemas de regulación de potencia y velocidad


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El método para el control de la potencia, una vez alcanzado el valor nominal, es elcontrol del ángulo de paso de la pala (α).

El control del ángulo de paso de la pala se define como el ángulo que se forma entrela cuerda del perfil aerodinámico en la punta de la pala y el plano de rotación. Resultaevidente que, para una geometría dada de pala, si mecánicamente se cambia elángulo α se estará cambiando el ángulo de paso de todos los elementos de pala.


3.4.1. Variación del ángulo de paso de las palas

U

VW

I



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Si varía el ángulo de paso, el ángulo con el que el viento incide sobre el perfil variará,y, por tanto, también lo harán las fuerzas de resistencia y sustentación, actuando al

mismo tiempo sobre la potencia producida.

El cambio de estas fuerzas influye sobre la velocidad angular del rotor , y por lo tanto,la velocidad relativa (W) también cambia, lo que nuevamente modifica tanto al ángulode ataque como al número de Reynolds, y por consecuencia, esto modifica otra vez elvalor de los coeficientes de sustentación y resistencia.

Existen factores adicionales a lo anteriormente expuesto que influyen en la respuesta

dinámica del rotor: en la práctica, la velocidad del viento (V) cambia continuamente,además de que en el comportamiento dinámico, las características del rotor puedenser influidas por el grado de flexión de las palas, por la inercia del rotor, por larespuesta de flujo alrededor de la pala, por la falta de alineación del rotor al viento ypor la suciedad que se adhiere a las palas.



«La contribución de un elemento de pala a la fuerza tangencial en el planodel rotor y a la fuerza axial, es función del ángulo de ataque (i)»



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Mecánicamente, el manejo del ángulo de paso de las palas de un rotor consiste enhacerlas girar simultáneamente todas sobre su eje radial.

Los mecanismos que actúan sobre la raíz de las palas se encuentran ubicados dentrodel cubo del rotor.

La fuerza motriz para realizar el movimiento puede darse a través de mecanismosimpulsados por dispositivos hidráulicos o eléctricos:

- Los mecanismos eléctricos suelen ser sistemas individuales montados en la raíz dela pala, los cuales operan en forma sincronizada. Básicamente, este tipo desistemas está integrado por un motorreductor (en el cubo) acoplado a una coronaen la base de la pala.

- Los mecanismos hidráulicos suelen ser centralizados y usualmente se montansobre el chasis principal. Su operación modifica simultáneamente el paso de todaslas palas. Estos sistemas se construyen con base en una unidad hidráulica y unservomotor que mueve linealmente una barra actuadora que pasa a través delinterior del eje principal hasta el cubo del rotor.





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El método de control de potencia por desprendimiento de flujo se aplica enaerogeneradores de palas donde el ángulo de calado permanece constante.

En este tipo de sistemas al aumentar la velocidad del viento también lo hace lavelocidad relativa produciéndose al mismo tiempo una variación en el ángulo deataque.

En función de la geometría propia de un aspa,existe un valor de la velocidad del viento para el

cual el ángulo de ataque es tal que el coeficientede sustentación alcanza su máximo valor.

A partir de ahí, dicho coeficiente comienza adisminuir, mientras que el coeficiente deresistencia empieza a crecer rápidamente.

Esta combinación limita la potencia del rotor demanera natural, pues el flujo en la cara “viento abajo” de las palas comienza a desprendersecreando vórtices.


3.4.2. Control por desprendimiento de flujo



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El desprendimiento depende de la geometría del perfil aerodinámico y puede serlento o brusco (el desprendimiento brusco es peligroso y debe evitarse, ya puede

llegar a fracturar las palas).

La región de flujo desprendido es mucho más complicada y desconocida que la deflujo no desprendido.

En turbinas eólicas controladas por desprendimiento, el flujo desprendido forma partede la operación normal hasta para ángulos de ataque de 45º. La teoría y los métodosde cálculo de flujo bidimensional alrededor de perfiles no son confiables para valores

del ángulo de ataque mayores a 10º. Junto con estos hechos existe la complicación deque la rotación de la pala añade un aspecto tridimensional muy importante.





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La mayoría de los primeros aerogeneradores, y muchos de los que ahora están en elmercado (sobretodo de baja potencia), utilizan esta técnica debido a que ofrece un

menor coste al no requerir de servomecanismos.

Los aerogeneradores que se controlan por desprendimiento de flujo producen menosenergía (para un mismo régimen de viento) que aquellos en los que la regulación depotencia se realiza modificando el ángulo de paso de las palas. La diferencia se estimadel 3 a 5 %.

La búsqueda de mayor eficiencia, limitando el coste, dio lugar a otra configuración queconsiste en el control activo por desprendimiento de flujo: variando el ángulo de pasoen sentido negativo con el fin de incrementar el ángulo de ataque y así controlar (encierta medida) el desprendimiento de flujo. Para ello también se utilizanservomecanismos, pero en este caso, su rango de trabajo es menor y son más baratos.





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El sistema de orientación tiene el objetivo de mantener el rotor en un planoperpendicular a la dirección del viento, con el fin de extraer de él la máxima energía.

Se plantean dos posibilidades, dependiendo de si la torre se interpone entre el planodel rotor y el viento incidente o no. Así, se pueden presentar dos configuracionesdistintas:

- Viento arriba o barlovento: El viento pasa primero sobre el rotor y después sobrela torre del aerogenerador.

- Viento abajo o sotavento: El viento pasa primero sobre la torre y después sobre elrotor.

Son pocos los diseños con rotores viento abajo, ya que cuando una de las palas pasapor la “sombra eólica” de la torre se originan fuerzas adicionales sobre el eje del rotor.Este problema es mayor para rotores de dos palas.


3.5. Sistema de orientación



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La mayoría de los aerogeneradores en el mercado actual son del tipo a barlovento yutilizan servomecanismos para mantener el plano del rotor en posición perpendicular

a la dirección del viento. Estos dispositivos constituyen el elemento unión entre latorre y la góndola del aerogenerador.

Se construyen a partir de un cojinete y una coronadentada de dimensiones considerables. La coronaestá acoplada a piñones montados sobre dos o más

servomotores (eléctricos o hidráulicos).Normalmente el subsistema se encuentrahabilitado, además, con un freno mecánico.

El servomecanismo responde a señales de control

que son generadas por el controlador electrónicodel aerogenerador, en respuesta a la medición de ladirección del viento. Esto último es llevado a cabomediante sensores convencionales (veletas).





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Estos sistemas no operan de manera rápida, es decir, no intentan seguir la direccióndel viento con gran dinámica. Los sistemas de control cuentan con algoritmos para la

toma de decisiones al respecto, y sólo cambian la orientación del rotor cuando lasestadísticas de la medición sugieren que la dirección del viento efectivamente hacambiado. La efectividad de estos algoritmos es relevante con relación a la fiabilidad yeficiencia global del aerogenerador, es decir, una actividad con frecuencia ”alta” degradaría el subsistema y provocaría más fuerzas mientras que una actividad confrecuencia ”baja” tiende a reducir la cantidad de energía eólica aprovechable, debidoa la desalineación del rotor.

En aerogeneradores con orientación a sotavento tienen las siguientes características:

- Se emplea una técnica de orientación pasiva, basada en el concepto de conicidaddel rotor y en una flexibilidad mayor de las palas.

- Algunos aerogeneradores cuentan con motores para desorientar la máquina conpropósitos de seguridad.





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La conexión de los aerogeneradores a la red se producirá a diferentes niveles detensión en función de la potencia instalada. El nivel de tensión en función de la

potencia puede ser el siguiente:

Las tensión de evacuación de los aerogeneradores suele ser de 20 o 30 kV.

Cada aerogenerador dispone de su propio transformador que convierte la tensión desalida del generador a la tensión elegida para la evacuación, para evitar las pérdidasen las líneas de evacuación de la energía.

En parques eólicos de gran potencia se dispone de una subestación (subestación deparque) que eleva la tensión para disminuir las pérdidas en el transporte de la energíahasta la conexión con el punto de red, que normalmente es una subestación de red.


3.6. Conexiones a red

Potencia de la instalación Nivel de tensión

Hasta 300 kW Baja tensión

Hasta 10-15 MW Media tensión

Más de 15 MW Alta tensión



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El objeto fundamental de los sistemas de seguridad es el de proteger la integridadfísica de los humanos, así como la del equipo en su conjunto.

Los sistemas de seguridad se ponen en funcionamiento generalmente en alguna de lassiguientes situaciones:

- Presencia de vientos mayores que la velocidad de salida.

- Velocidad de rotación por arriba del máximo aceptable.

- Pérdida de carga (desconexión o fallo de la línea de interconexión).- Exceso de vibraciones.

- Temperaturas por arriba de las máximas aceptables (en generadores, cajas detransmisión, controladores electrónicos, etc.).

- Pérdida de presión en controladores hidráulicos.


3.7. Dispositivos de seguridad



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Dado que el viento no es controlable, ante una situación operativa anómala la accióntípica de seguridad es el paro forzado de los aerogeneradores. Los paros forzados se

pueden dar en las siguientes situaciones:

A través del controlador electrónico local

Cuando la situación anómala se detecta por la medición de variables. En este caso, elcontrol ejecuta un paro suavizado (cuando se detectan temperaturas máximas deoperación en algún componente).

Por acción directa de elementos específicos

Cuando la situación anómala requiere de una acción inmediata y por el carácter delevento no se puede confiar en el control electrónico (por ejemplo exceso devibraciones).

Por voluntad de los operadores cuando la situación no puede ser detectada porningún medio automático (operadores en peligro o accidentados)

Para este caso los aerogeneradores cuentan con botones de paro de emergencia en suparte superior, en su base, y a través de las computadoras en el cuarto de controlcentralizado.





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Los medios que se utilizan para efectuar el paro forzado son:

- Freno de disco.- Control del ángulo de paso de las palas.

- Dispositivos de punta de pala (frenos aerodinámicos).

- Control de orientación al viento.

La mayoría de los aerogeneradores cuenta con dos (o más) de estos medios, los cuales

pueden operar de manera independiente o coordinada. Dependiendo del modeloespecífico del aerogenerador se asigna uno de ellos como el medio principal defrenado.

Dispositivo aerodinámico Dispositivo mecánico





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Aerogeneradores con sistemas de regulación de velocidad por control del ángulo depaso de las palas

• Freno principal: Se utiliza el sistema de regulación de velocidad por control delángulo de paso de las palas. El sistema amplía su rango de operación para que seaposible colocar la cuerda del elemento de punta de pala en una posición casiparalela con la dirección del viento (posición de bandera). Esto representa unasolución adecuada que evita fuerzas mecánicos durante el evento.

•

Freno secundario (típicamente un freno de disco): se aplica después que lavelocidad de rotación del rotor se redujo considerablemente, y por consecuencia,el par motriz es mucho menor.

El accionamiento del sistema de regulación por control del ángulo de paso de las palaspuede ser:

- Motores eléctricos: para manejar el ángulo de paso de las palas, las condicionespor defecto ante la desconexión o fallo de la línea eléctrica colocanautomáticamente a las palas en “posición de bandera”.

- Grupos hidráulicos: el problema de pérdida de carga se resuelve mediante laincorporación de acumuladores hidráulicos.





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Aerogeneradores con caja de engranes

El freno de disco se puede aplicar:

• En el eje de alta velocidad (en el eje de salida de la caja de engranes que acoplacon el generador eléctrico)

- Si se aplica sobre el eje de alta velocidad, la fuerza requerida para frenar elrotor es inversamente proporcional a la relación de transmisión, por lo cual sepueden utilizar dispositivos más ligeros y baratos.

- La caja de engranes recibe directamente los esfuerzos.

- Resulta más conveniente cuando el medio principal de frenado es a través delcontrol del ángulo de paso de las palas y el freno de disco constituye el mediosecundario, por lo que normalmente éste solo se aplica a velocidades ya muyreducidas.

• En el eje principal del rotor (baja velocidad)

- Algunos fabricantes prefieren aplicar el freno de disco sobre el eje de bajavelocidad, máxime cuando éste constituye el medio principal de frenado.

- Esta configuración puede resultar más segura, pero también es más costosa.





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Todos los aerogeneradores instalados en parques eólicos cuentan con un sistemaelectrónico dedicado al control y a la adquisición de datos (SCADA).

Cada aerogenerador cuenta con un SCADA propio, independientemente de que ésteforme parte de un parque constituido por varias turbinas. Sus funciones principalesson:

- Controlar los procesos de inicio de operación y de conexión a la línea eléctrica.

- Controlar la regulación de velocidad y potencia de salida.

- Controlar la orientación del rotor con respecto a la dirección del viento.

- Controlar los procesos de paro forzado.

- Controlar los elementos auxiliares dedicados a mantener las mejores condicionesde operación normal.

- Ser la interfaz local entre el operador y la máquina.

- Adquirir y procesar los datos del comportamiento operacional de cadaaerogenerador.

- Mantener la comunicación con los centros de supervisión parques eólicos(transmisión de datos).


3.8. Electrónica de control



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Los SCADA miden y procesan las variables de control, entre las que se encuentran:

Cada SCADA está diseñado en forma específica para el modelo de aerogenerador alque se aplica, es decir, cada sistema cuenta con sus propios algoritmos y secuenciaslógicas.

Los SCADA tienen características comunes, pero pueden llegar a ser muy diferentes de

una marca de aerogenerador a otra.La fiabilidad y efectividad de los SCADA tiene un impacto muy relevante en cuanto a laeficiencia, fiabilidad y disponibilidad de un aerogenerador. Es decir, no puede existirun buen aerogenerador si su sistema de control es deficiente.


3.8. Electrónica de control

- Velocidad y dirección del viento. - Vibraciones.- Velocidades angulares. - Estados operativos.

- Temperaturas. - Parámetros eléctricos.

- Presión. - Eventos.

- Ángulo de orientación.



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El chasis principal (góndola o nacelle) es una estructura metálica donde se monta eltren de potencia, el generador eléctrico, las mordazas del freno y, en su caso, las

unidades hidráulicas. También puede ir montado el transformador, que suele tener lafunción de contrapeso del rotor.

Este componente recibe las cargas del rotor a través del tren de potencia y lastransmite a la torre vía el subsistema de orientación.

Usualmente, el chasis principal está construido a partir de perfiles estructurales de

acero soldados y placas de fibra de vidrio. Este elemento es el principal receptor de lasfuerzas generados durante el frenado, ya que sobre él se montan los elementos defricción que actúan sobre el disco del freno (las mordazas).

- Su dimensión y peso depende de las cargas quedebe soportar.

- Su diseño parte de la fuerza general relacionadocon la reducción de masa y volumen del conjunto.

- Sobre este chasis va colocada una cubierta generalcuyo propósito es proteger a los componentes delsistema contra los efectos del medio ambiente.


3.9. Estructura soporte o chasis



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Las torres constituyen el elemento de apoyo del resto de subsistemas de la turbina.

- Su principal función es estructural.- Puede ser una estructura tubular o una estructura en celosía de perfileslaminados.

- La forma externa suele ser tronco-cónica o una aproximación de diseño económicosimilar a ésta.

- Los componentes de la torre se protegen de la corrosión mediante galvanizado en

caliente, y se van realizando amarres entre ellos de forma frecuente.- Se suelen construir en acero si bien para grandes potencias se está empleando el

hormigón prefabricado.

Las primeras máquinas diseñadas para producir energía eléctrica utilizaban torres conestructuras metálicas o configuración en celosía. Posteriormente con el aumento del

tamaño y la potencia la tecnología ha evolucionado hacia torres tubulares de acero ymás recientemente de hormigón para grandes potencias.


3.10. Torres

3.10. Torres


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Las torres de celosía se caracterizan:

- Estructura metálica de celosía formada por perfiles metálicos que soporta tanto lanacelle como al rotor.

- Necesidad de verificar periódicamente que en las uniones de todos los perfilesangulares los tornillos se mantengan apretados adecuadamente y graneteados.

- Su rigidez limita su capacidad para absorber fluctuaciones de carga. Este tipo detorres no se utiliza en sistemas grandes.

- En estas torres, tienen una accesibilidad compleja debido a que el acceso a lanacelle se realiza por medio de escaleras tipo marino, montadas sobre un costado,dificultando los trabajos de mantenimiento.

- En comparación con las estructuras tubulares, tienen un costo relativamente bajo.Sin embargo, requieren mucho mantenimiento.

- Fáciles de construir ya que típicamente están formadas por perfiles angulares de

acero, y fáciles de transportar, prácticamente en cualquier tamaño.- Requieren de un medio adicional para la instalación del equipo electrónico depiso.

- Reduce el impacto visual a grandes distancia, mientras que se aumenta adistancias cercanas.


3.10.1. Torres de celosía

3.10. Torres


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Torres tubulares

- Suelen ser de acero o hormigón.

- Sección circular y, dependiendo del tamaño, se pueden presentar con formacilíndrica, troncocónica o una mezcla de ambas.

- Proporcionan el medio de protección e instalación para equipos de control ysistemas eléctricos en piso.

- Al mismo tiempo, se pueden integrar en ella medios muy seguros para que el

personal de mantenimiento suba a la góndola (escalera manual o elevador).- Su instalación es fácil y rápida al tiempo que requieren poco mantenimiento. Se

suelen construir en dos, tres o cuatro tramos dependiendo de la altura a alcanzar yla unión entre tramos se realiza mediante pernos.

- Costo relativamente alto, su fabricación requiere maquinaria especializada, y su

transporte es más difícil y costoso.


3.10.2. Torres tubulares

4. Curvas características de un aerogenerador


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Una curva típica de un aerogenerador comercial de gran potencia puede ser lasiguiente:

En la curva existen unas velocidades características:

- Velocidad de arranque o inicio Vi: velocidad a la cual el aerogenerador comienza a

generar potencia.- Velocidad nominal Vn: velocidad a la cual el aerogenerador funcionaría a su

potencia nominal (Pn).

- Velocidad de corte o salida Vc: velocidad a la cual el aerogenerador dejaría desuministrar potencia, entrando a funcionar los sistemas de seguridad.


4.1. Curva de potencia de un aerogenerador

0

500

1.000

1.500

2.000

2.500

0 5 10 15 20 25 30 35

P ( V ) [ k W ]

Velocidad del viento (m/s

Curva de potencia aerogenerador

Vi

Vn Vc

La velocidad nominal sueleestar en torno a los 12-15m/s, pudiéndose obtenervalores aceptables delcoeficiente Cp en torno al

35-40 %.



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Una curva típica de un aerogenerador comercial de pequeña potencia puede ser lasiguiente:


4.1. Curva de potencia de un aerogenerador

0

500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.500

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

P o t e n c i a [ W ]

Velocidad del viento (m/s

Curva de potencia aerogenerador Inclin 3.000Velocidad

(m/s)

Potencia(W)

0

0

1

0

2

0

3

240

4

450

5

600

6

840

7

1260

8

1800

9

2070

10

2430

11

2670

12

3000

13

3120

14

3300

15

2610

16

2490

17

2520



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De forma análoga a la que se ha obtenido el coeficiente de potencia Cp, se puedeobtener el coeficiente de empuje, sin más que desarrollar las expresiones

matemáticas de la teoría de Betz.El teorema de Euler nos proporciona la fuerza ejercida por el motor eólico sobre elaire en movimiento, su valor absoluto será:

Conocemos la relación:

Por tanto,

Si utilizamos la relación a=V2/V1 la expresión de la fuerza obtenida será


4.2. Coeficiente de empuje

= ( − ) = ( − )

= (+)

2

= ( − ) =

+ ( − ) =

−

=1

2

1 −



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El coeficiente de empuje se define como el cociente entre el empuje real que se ejercesobre el rotor y el empuje total disponible del viento (a=0):

Destacar que la fuerza de empuje del viento es función del cuadrado de la velocidad, adiferencia de la potencia que es función del cubo de la velocidad del viento.



=

= 1 −

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

C T

a

Coeficiente de empuje

4. Curvas características de un aerogeneradorf d


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El coeficiente de empuje de un aerogenerador comercial, como puede ser el TWT-1.65del fabricante de aerogeneradores MTorres, variará en función del diámetro del rotor:



0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,60,7

0,8

0,9

1

0 5 10 15 20 25

C T

Velocidad del viento (m/s)

Coeficiente de empuje TWT-1.6

Diámetro rotor 77 m



5. Elección del aerogenerador


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Dentro de toda la gama de posibilidades que ofrece el mercado para la selección delaerogenerador, la decisión última dependerá de los siguientes factores:

- Condicionantes de logística de accesos, dado que en algunos emplazamientos nose puede llegar con los medios de transporte actuales, o bien el coste puede serlimitativo.

- Condicionantes de tipo legal y técnico, principalmente medioambientales yenergéticos.

- Condicionantes de viento, velocidad media, distribución de la velocidad,turbulencia, frecuencia e intensidad de las ráfagas, etc.

- Condicionantes de tipo económico, precio de los aerogeneradores, coste deltransporte y la instalación.

La elección se centra entre aerogeneradores de potencia nominal media (660-900 KW)y aerogeneradores de potencia nominal alta (1.300-2.000 KW).



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II Máster

Energía Solar y Renovables

GRACIAS POR

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II Máster Energía Solar y Renovables. Módulo- Energía Eólica Tema 4- Aerogeneradores