Cables verticales para generadores eólicos

Cables verticales para generadores eólicos

1. Prólogo 3

2. Características del generador eólico 7 3. Requerimientos específicos para cables de generadores eólicos 8

4. Normas para cables de generadores eólicos 10

5. Métodos de prueba a cables de generadores eólicos 11

6. Conclusiones y recomendaciones 15

Contenido

2012 CABLES VERTICALES PARA GENERADORES EÓLICOS | 3

I. Prólogo

Este reporte presenta el estado actual de aplicaciones de cable eléctrico aislado para la industria de la energía eólica . Se indican requerimientos de construcción y desempeño para los cables.

Ha habido un creciente interés en la energía renovable debido al creciente incremento en la demanda de energía y a los recursos convencionales necesarios para obtenerla. Se destaca la energía eólica entre otras como la hidráulica, la solar y la geotérmica. Aunque estas energías renovables solo satisfacen una pequeña porción de toda la demanda, se reconoce globalmente su importancia y su participación en la matriz energética actual..

De acuerdo al Reporte Mundial de Generación de energía por la fuerza del viento, emitido por la WWEA2 en 2010, se encuentran instalados 196630 MW de energía eléctrica con generadores eólicos que representó el 2,5% de la capacidad total instalada de todas las fuentes de energía eléctrica, corresponde al doble de lo instalado 3 años antes, China ocupa el primer lugar en capacidad instalada como país, Figura 1.

Figura 1. China ocupa el primer lugar en capacidad de energía eólica instalada como país.Fuente WWER-2010

1 Se refiere a la energía eléctrica generada por medio de turbinas de viento2 WWEA, World Wind Energý Association

Si la comparación es en relación al número de habitantes, Dinamarca ocupa el primer sitio con capacidad instalada de 0,675 kW por habitante, seguido de España con 0,442 kW por habitante, mientras que China, bajo este criterio ocupa el lugar 27. Figura 2.

Figura 2. Capacidad instalada en generación eólica por habitanteFuente: WWEA 2010

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Por superficie del país, Dinamarca es número uno en el mundo en generación eléctrica con 86.6 kW por kilómetro cuadrado, seguido por Alemania (76.2 kW/km2), los Países Bajos (53.8 kW/km2), España (40.9 kW/km2) y Portugal (40.2 kW/km2). China (4.7 kW/km2) alcanza la posición 17 y los Estados Unidos (4.1 kW/km2), la posición 19. Figura 3.

Figura 3. Capacidad instalada de generadores eólicos por área territorialFuente: WWEA 2010

Dinamarca también es el líder en términos de capacidad de generación eólica instalada comparándola con el Producto Interno Bruto (PIB): con 18,5 kW por millón US$, seguido por España (15 kW/millón US$), Portugal (15 kW/millón US$), las Islas Falkland (9,5 kW/millón US$) y Alemania (9,2 kW/millón US$). A China se le puede encontrar en el lugar número 9 con 4,5 kW/millón US$, los Estados Unidos alcanzan la posición 20, con 2,7 kW/millón US$. Figura 4.

En América Latina 46% de la energía eólica es generada por Brasil, seguida de México con 26%. No obstante, de acuerdo con el informe de WWEA-2010, Brasil tenía instalado 920 MW, ubicándose en el lugar 21 del mundo, ese año instaló 320 MW, 53.3% más que en el año anterior, quedando en el sexto lugar tomando en consideración el crecimiento mundial de este mercado. La capacidad instalada de generadores eólicos en la nación sudamericana en 2009 (600 MW) sólo representaba el 0.2% del total de generación eléctrica instalada y a pesar del importante crecimiento alcanzado en tan solo un año, no representa ni el 1% de lo instalado.

Figura 4. Capacidad instalada de generación eólica de acuerdo a PIBFuente: WWEA 2010



2. Características del generador eólico

Este reporte discute el uso de cables de fuerza aislados, dentro de la góndola (donde se localiza el generador) y entre la unión de la caja y la unidad de control, justo antes del transformador principal. Figura 5.

Es importante considerar la operación del generador en su conjunto (secciones móvil y fija) al seleccionar las características de los conductores, para prevenir problemas futuros de mantenimiento, ya que los conductores verticales son sometidos a fuerzas torsionales que pueden dañarlos. Además del requerimiento de flexibilidad del conductor, es necesario considerar la temperatura de operación y la atmósfera a la que operará el aislamiento, deberá ser resistente al aceite, a otros compuestos químicos y a la abrasión mecánica.

En resumen, los conductores utilizados en los generadores eólicos, ya sean de fuerza, comunicaciones o control, requieren de alta flexibilidad, ser resistente a la torsión y capacidad para operar en atmósferas hostiles.

La cantidad de cable necesario para un generador, por ejemplo de 90 m de altura y 1,25 MW de capacidad, es de aproximadamente 1 km para el conductor de fuerza, una granja de generadores eólicos con capacidad total de 50 MW, requiere 40 km de conductores de fuerza, cantidad nada despreciable.

Figura 5. Esquema General de una unidad de un generador eólico típico

3. Requerimientos específicos para cable de generadores eólicos

Las “granjas” de generadores de viento están localizadas en ambientes de gran diversidad meteorológica y ambiental, que incluyen el mismo viento, la radiación ultravioleta y el rocío salino, cuando está cerca del mar o en la costa. Como consecuencia, el desempeño del cable en esta aplicación es crítica, las partes móviles de la turbina de viento incrementan la importancia de la selección..

Los generadores eólicos trabajan en un amplio rango de temperaturas (de -40 °C a +60 °C) y extremadamente grandes cantidades de exposición a radiación UV debido a sus ubicaciones. Como consecuencia, los cables tienen que soportar los mismos rangos de variación. Para las partes móviles de la turbina, el cable deberá tener buena flexibilidad de torsión y de doblaje con un pequeño radio de curva debido a las limitaciones de espacio. Requerimientos especiales como materiales retardantes de flama, poca emisión de humo, cero alógenos y protección EMI se especifican por consideraciones de seguridad.

El cable también necesita ser resistente a productos refrigerantes, aceites, productos químicos corrosivos y abrasión. Si la granja de viento está localizada cerca del océano o en la costa, el cable también debe ser resistente al agua.

Los cables de bajo voltaje para aplicación en generadores eólicos deberán tener tolerancia a fuerzas torsionales, rango de temperatura extendido (-40 °C a +90°C), resistentes a rayos utravioleta (UV), al ozono, ya sea que se utilicen en libre movimiento, libre colgante o alambrado fijo. En el caso de libre colgante, los conductores deberán ser del tipo torcidos. Figura 6.

La estructura total del cable también es crítica para su flexibilidad. Un diseño de conductor simétrico con estructura balanceada provee alto grado de flexibilidad. Figura 6. Construcción típica de cables de fuerza de baja tensión,

para uso interior o exterior, tensión máxima 1000 VCA o 750 VCD



3.1 Conductor

El material del conductor para maximizar la flexibilidad deberá ser de cobre suave finamente hilado, clase 5 de acuerdo a DIN VDE 0295/HD 383/IEC 60228.

El uso de conductores de aluminio no es recomendado debido a los esfuerzos de tensión a los que se somete y a la flexibilidad requerida. Los resultados de prueba evaluando el comportamiento completo del cable enérgicamente,recomienda el uso de Cobre.

3.3 Funda

La funda deberá ser de material resistente al ozono, a los UV y a bajas temperaturas, compuesto especial basado en CM (polietileno clorado) o CR (hule cloropreno).

3.2 Aislamiento

Para incrementar la flexibilidad a bajas temperaturas, resistir la corrosión por ozono y evitar el envejecimiento prematuro debido a la temperatura de operación se deberá preferir el elastómero termoplástico (ETP), hule de propileno etileno (EPR, EPM o EPDM) o hule de Silicón (SiR). El aislamiento de PVC/Nylon también es utilizado ampliamente debido a su alta fortaleza dieléctrica.

3.4 Camisa

Las camisas de los cables pueden ser compuestos termoestables tal como polietileno clorado (CPE), policloropreno (neopreno), polietileno clorosulfonado (CSPE) hule sintético (SR) o compuestos termoplásticos como las aleaciones de TPE, TPE-PVC y poliuretano (TPU). Estos materiales son resistentes al aceite, combustibles y solventes, con flexibilidad superior a bajas temperaturas.

4. Normas para cables de generadores eólicos

Aún no hay normas dedicadas a conductores en aplicación de turbinas eólicas, se utilizan las que tienen condiciones ambientales de operación similares. Muchos fabricantes de cables utilizan la norma IEC 60228 Clase 5 o 6 (similar a DIN VDE 0295 Clase 5 o 6, HD 383, GB/T 3956 Clase 5 o 6) usando cobre hilado solo o cobre recubierto con otro metal para lograr la flexibilidad necesaria.

El Estándar Técnico IEC 60228 sólo especifica el área nominal de la sección transversal del conductor y el número y tamaño de alambres en el conductor para cables de fuerza.

La especificación UL 62 se refiere a varios estándares ASTM, especifica no sólo el tamaño y número de hilos del conductor, sino también su construcción, como capas hiladas concéntricas, capas hiladas de cuerda y construcción hilada del conductor, todas son críticas para flexibilidad del cable.

Para el aislamiento y la camisa, muchos fabricantes siguen DIN VDE 0207-20 y DIN VDE0207-21. HD 22.1, HD 22.4.

Especificaciones UL 44 y UL 62 se utilizan solamente como estándares generales para la fabricación del cable.

Otros estándares, tales como UL 758, UL 1581, UL 1277, UL 2277, IEC 60332, son utilizadas en ocasiones para cubrir requerimientos adicionales y grados de inflamabilidad.

Las especificaciones UL 1741:2005 – inversores, convertidores, controladores y equipo de interconexión al sistema, se utilizan con fuentes de energía distribuida para sistemas de energía autónomos (no conectados a la red) o interactivo con la red (conectados a la red). La sección 21 de esta especificación cubre en general el alambrado interno del inmueble o el cableado de aparatos, considerando temperatura, tensión y condiciones de servicio a las cuales el alambrado esté sujeto.

Un requerimiento importante está definido en el 21.1.3, que establece:

“alambrado extendido a una puerta con bisagras u otra parte sujeta a movimiento en su uso, deberá tener conductores con capacidad de soportar la tensión debido al movimiento. El aislamiento deberá tener protección contra daño. Los conductores deberán estar sujetos de modo que la tensión no sea transmitida a las terminales o empalmes.”

Todas las secciones de esta norma, aplicables a las características del conductor, consideran alambres de cobre flexibles o extra flexibles en su construcción. El requerimiento de flexibilidad es la limitante que no recomienda el uso de conductores de aluminio.



5. Metodos de prueba a cables de generadores eólicos

En los ambientes automatizados de hoy en día, la falla de un cable, incluso una sola vez, significa salir de operación, así como pérdida de dinero. Se recomienda que todos los cables sean probados y comprobados, que vayan mas allá de sus especificaciones, debido a la severidad de las condiciones de operación. No basta con flexionar el cable repetidamente, éste debe ser torcido en varias formas en el proceso de prueba para sobrepasar las condiciones más extremas de uso.

Cuando el comportamiento del sistema depende de la absoluta confiabilidad de cada componente, no basta con alcanzar los estándares mínimos o básicos. La máxima protección en contra de fallas relacionadas con el cable es resultado de pruebas rigurosas que prevén condiciones extremas de operación, eliminado las probabilidades de falla.

El cable no debe ser diseñado y después probado para asegurar que puede soportar condiciones similares. En su lugar deben anticiparse condiciones extremas, pruebas desarrolladas para simularlas y sobrepasarlas, entonces los materiales seleccionados y el cable diseñado tendrá éxito en las condiciones más severas. Aunque cada condición severa no puede ser duplicada exactamente, las pruebas pueden ser estandarizadas para simularlas, y los procedimientos de prueba definidos para hacerlos replicables.

Los métodos de prueba aquí descritos representan la experiencia de varios fabricantes y fueron desarrollados para evaluar el comportamiento del cable. El fabricante debe proporcionar las especificaciones de prueba, los reportes de prueba, y los datos de desempeño, incluyendo el número de ciclos de prueba.

Para evaluar diferentes métodos de prueba es importante entender el fenómeno físico que ocurre durante la operación de una turbina de viento dependiendo de la dirección del viento, se ajusta el ángulo de la turbina, los cables de energía, control y comunicación se inclinan a lo largo del eje horizontal o rotan a lo largo del eje vertical, la flexibilidad torsional es más severa y requiere mayor atención.

Aunque actualmente no hay norma para la flexibilidad torsional, el usuario final prefiere que los cables sean probados por algún medio antes de ser puestos en operación. De acuerdo a Alpha Wire, el siguiente es un método común de prueba exigido por el usuario final:

5.1 Prueba de tensión de torsión de un cable a baja temperatura (-40ºC)

a).- Un tramo de cable de 10 m de longitud suspendido verticalmente se fija en el extremo superior, el extremo inferior se coloca a un mecanismo rotatorio.

b).- Gire el cable en el sentido de las manecillas del reloj cuatro vueltas (+1440º), regréselo a su posición original.

c).- Gire el cable en contra del sentido de las manecillas del reloj cuatro veces (-1440º), regréselo a su posición original.

d).- Repita los puntos b) y c) 5000 ciclos para simular 20 años de uso. El cable pasa la prueba si no hay rompimiento bajo 2.5 U0 después de 5 minutos y no hay presencia de grietas en la camisa.

Nota: U0 es 600, 1000 o 2000 V de acuerdo al voltaje de operación del cable.

5.2 Prueba de tensión de torsión de un atado de cables

El procedimiento de prueba es el mismo que el anterior, pero con un atado de cables.

De acuerdo a Northwire, hay cuatro métodos adicionales aplicados a condiciones especiales:



5.3 “Modo B”, prueba de flexibilidad rolado/torsión. Figura 7

• Elcableesjaladoaproximadamente18”sobreunarueda con un radio de 3” y torcido 360º.

• Todalatorsióntomalugarenlapulgada18entreel agarre y la rueda.

• Hayunpesode9lbscolgandodelcablemientrases torcido. La cantidad de peso es determinada por el calibre del cable y los hilos internos. (la máquina jala hacia arriba y la gravedad hacia abajo).

• Lacontinuidadsemonitoreacontinuamente.Elnúmero de ciclos de prueba es el mismo que el indicado en el punto 6.1, (un ciclo es un tiempo arriba y uno abajo resultando en dos torsiones de 360º).

Figura 7. Prueba de flexibilidad Rolado/Torsión, de Northwire

5.4 Flexibilidad de curva (Tick-Tock). Figura 8

5.5 Abrasión

• En esta prueba un extremo del cable está estacionario, mientras existe un movimiento de flexión alrededor de un objeto fijo en otro punto de la longitud del cable.

• Elcableesflexionado90gradossobreunbloquede nylon, regresado a la posición inicial y después hacia atrás 90 grados sobre otro bloque de nylon.

• Unpesodedoslibrascuelgaenelcablemientrases flexionado. Un ciclo es una curva de 90 grados en ambas direcciones.

• Secompletaunciclocadadossegundos,elcablees probado hasta que falla, ya sea pasando 1 millón, 2 millones, 10 millones, 20 millones o aun 30 millones de ciclos.

La prueba estándar de la industria de cables para resistencia a la abrasión es la prueba de abrasión UL 185 (sección 1510).

Figura 8. Flexibilidad de Curva (Tick-Tock) de Northwire



6.2 Recomendaciones

Analizar el impacto del costo de cable vertical en el monto total de la unidad generadora, para evaluar si el ahorro económico inicial al utilizar cables de aluminio, de menor costo, en lugar de cobre compensa los riesgos indicados en 7.1. Es necesario un análisis del ciclo de vida del equipo generador, considerando la falta de generación de energía eléctrica debido a falla en el cable.

6. Conclusiones y recomendaciones

6.1 Conclusiones

Este reporte técnico presenta el estado actual de cable eléctrico aislado para aplicaciones verticales en generadores eólicos, se indican los requerimientos especiales de construcción y desempeño. La tendencia de crecimiento en el uso de estos conductores justifica la preocupación en los requerimientos debido a las exigencias físicas al conductor y su aislamiento durante la operación regular, principalmente en flexión y torsión simultanea.

El uso de cables de tipo común no diseñados específicamente para soportar las condiciones ambientales (que pueden ser extremas) y de operación en las turbinas eólicas pueden constituir un riesgo por la alta probabilidad de falla, ya que no están diseñados y construidos con materiales adecuados.

El uso de conductores de cobre en los generadores eólicos obedece a su alta flexibilidad, mas no son conductores comunes. Los métodos de prueba, sus datos técnicos y el desempeño están disponibles para el diseñador/usuario y así garantizar la operación de la unidad generadora. El uso de conductores de aluminio somete a la unidad de generación eléctrica a un alto riesgo de falla debido a:

• Losalambresdealuminiosometidosatensióncontinua por flexión y torsión causan ruptura por fatiga y arrastre;• Comounaconsecuencia,elaislamientoylacamisase dañan por ruptura en el conductor,• Nohaydatosdisponiblesconcernientesaldesempeñode los cables de aluminio probados de acuerdo a los métodos aquí descritos;• Lamismafaltadeinformaciónseaplicaaldesempeño de los cables de aluminio sometidos a ambientes químicos y el impacto en conexiones, corrosión y fragilidad;• Fallaenungeneradordeenergíadevientosignificalargos periodos sin generación de energía, mantenimiento complicado y altos costos relacionados. Ahorrar los costos iniciales es riesgoso considerando el tiempo de recuperación de la inversiones que es a largo plazo;

El resumen de consecuencias debido a la falla del cable de aluminio es una pérdida significativa de ganancia económica y pérdida de imagen, a que cualquier mantenimiento es complejo y toma mucho tiempo.




Referencias

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- Impsa Sauipe – en http://www.impsa.com/pt/produtos/impsawind

- Gamesa Corporación Tecnológica, en http://www.gamesa.es

FSC: “Forest Stewardship Council” Organización que tiene por objetivo promover el buen uso de los recursos forestales, mediante prácticas de responsabilidad con el ambiente, socialmente aceptables, económicamente viables, avaladas por procesos creíbles de certificación.

SFI: “Sustainable Forestry Iniative” Organización internacional independiente, no lucrativa, que tiene un programa de certificación basado en el manejo sustentable de los bosques, la protección de la biodiversidad, calidad del agua y el hábitat de la vida silvestre.

RA: “Rainforest Alliance” Trabaja para conservar la biodiversidad y asegurar medios de vida sostenibles mediante la transformación de las prácticas de uso del suelo, las prácticas empresariales y el comportamiento del consumidor.

PAPEL RECICLADO: El uso de contenido reciclado para fabricar nuevo papel, disminuye la utilización de madera y representa una reducción en la cantidad de desechos sólidos. Todos los papeles existentes se consideran productos reciclables.

GREEN SEAL: Certificación que indica que el producto contiene un mínimo del 30% de fibra post-consumidor y es manufacturado con una cantidad reducida de energía.

PCF: “Processed Chlorine Free” Productos manufacturados mediante un proceso libre de cloro.

GREEN E CERTIFIED: Certificado otorgado a los productos que en su proceso utilizan energía renovable, como la eólica, la solar y otras energías de bajo impacto con el ambiente.

ECF: Productos que durante el proceso de fabricación no fueron blanqueados con cloro.

CARBÓN NEUTRAL: Neenah Papers como miembro de la CCX (Chicago Climate Exchange), promueve la reducción de uso de carbón y la emisión de gases de efecto invernadero.

International Copper Association MexicoContribuye a desarrollar una cultura de crecimiento sustentable, fomentando la conciencia ecológica y el compromiso con el medio ambiente.

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