CARACTERÍSTICAS DE LAS TURBINAS EÓLICAS

Transcripción

1 CARACTERÍSTICAS DE LAS TURBINAS EÓLICAS

2 MÁQUINAS DE EJE VERTICAL. Nuevo Diseño: Molino provisto de brazos giratorios alrededor de un eje de giro con la Aerogenerador Darrieus particularidad de que a dichos brazos se unen articuladamente unas palas abatibles. Las palas abatibles ofrecen la máxima resistencia al viento cuando se sitúan en la zona de avance de giro y prácticamente nula resistencia al viento cuando están en la zona de retorno del generador. Giromill Rotor Savonius MÁQUINAS DE EJE HORIZONTAL.

3 Algunos sitúan su aparición en Finlandia en el siglo XIX. La opinión de otros es que el ingeniero Savonius creó este tipo de aerogenerador en Ventaja: El rotor del aerogenerador Savonius es de eje vertical y por eso no necesita disponer de un mecanismo de orientación. Acepta mucho mejor los vientos turbulentos que las turbinas que funcionan por sustentación. Se frenan automáticamente al llegar a cierta velocidad límite (no se requiere sistema de freno). Costo comparativamente bajo. Requieren bajo mantenimiento.

4 Desventaja: Aprovechan mal la energía del viento (Límite de Best) (Coeficientes de potencia cercanos al 15%). El mecanismo que convierte la energía de giro del aerogenerador en otro tipo de energía, se sitúa en la base del Savonius. Forma simple de las palas: En forma de S con el eje en el centro. Es la forma de palas menos eficiente.

5 Si las aspas tienen la forma de dos C-s, C se obtiene una mejora del rendimiento, (el viento que circula en el centro, beneficia el movimiento del mecanismo). La imagen ilustra el comportamiento aerodinámico de esta construcción. n. Este es el mejor diseño o para las aspas del aerogenerador. Tiene el mejor aprovechamiento del viento y el hueco del centro no solo permite impulsar el mecanismo con el viento que circula, además s se le da cierta fuerza de empuje. Su comportamiento aerodinámico se observa en la segunda imagen. También n es el diseño o de más m s difícil construcción; n; requiere planchas de metal bien curvados y cortados.

6 Éste último diseño o es ya muy avanzado. El principio sigue siendo el del aerogenerador Savonius,, pero con todas las mejoras del conocimiento de la aerodinámica. Es un diseño muy complejo, pero respetando las medidas del croquis (o sea, un metro de altura y 30 cm de ancho) se consigue un aerogenerador capaz de producir más m s de 100 W de potencia eléctrica. (ver helix wind)

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8 Su característica principal es que el eje de rotación n se encuentra en posición n perpendicular al suelo. La única turbina de estas características que ha tenido éxito comercial fue patentada por el ingeniero francés Darrieus en 1931 y producida por la firma estadounidense Flo Wind hasta que quebró en La máquina m incluye dos o tres palas en forma de C que giran alrededor del eje y tiene las ventajas de que los equipos de conversión n y control están n en la base del grupo y el aerogenerador no tiene que orientar su posici sición según n la dirección n del viento. En contrapartida, como la velocidad de viento es menor al nivel del suelo, el rendimiento es bajo.

9 TIPOS DE AEROGENERADORES DARRIUS Aerogeneradores bipala.. Ahorran el coste de una pala y, por supuesto, su peso. Sin embargo, necesitan una mayor velocidad de giro para producir la misma energía a de salida, lo que supone una desventaja tanto en lo que respecta al ruido como al aspecto visual. Sin embargo, los bipalas pueden ser muy adecuados cuando se requieren potencias nominales pequeñas, caso de la minieólica lica,, y en aplicaciones aisladas de la red.

10 Aerogeneradores de diseño.. En los últimos tiempos están n apareciendo nuevas turbinas eólicas e con diseños muy poco convencionales.. Es el caso, por ejemplo, de la máquina m quietrevolution,, de eje vertical y concebida para ser instalada incluso sobre el tejado de las casas, al igual l que pasa con el generador Enflo. Enflo quietrevolution

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17 Introducción El análisis de los problemas de diseño en turbinas eólicas actuales se efectúa considerando la optimización en el aprovechamiento del viento (conversión eólico-mecánica) y la tendencia en el incremento del tamaño estructural y la potencia a generar. La conversión de la energía eólicamecánica-eléctrica en su totalidad requiere modelos que consideren los procesos dinámicos que involucran las respectivas estructuras ante la excitación mecánico-eléctrica a la que se expone el aerogenerador considerando su interconexión con la red eléctrica. Las investigaciones y posteriores contribuciones al diseño de los aerogeneradores actuales se basaron en el tamaño del rotor, la elasticidad del material, la velocidad de rotación y variación de la posición angular de la pala, el número de palas, la posición del rotor respecto a la torre, la elasticidad de la torre, el material de las palas y el tipo de generación eléctrica. Este análisis tenía como enfoque directo la conversión eólica-mecánica y las interacciones estructurales con el viento y el diseño mecánico del aerogenerador. El avance tecnológico aportó sistemas de control y electrónica modificando aspectos relacionados a la generación y la interconexión con la red eléctrica. Estas modificaciones permiten en la actualidad incrementar la potencia de generación y contar con aerogeneradores de gran porte.

18 En el término de 15 años los aerogeneradores han pasado de 250 kw a potencias superiores a 3 Mw modificando el modelo primitivo en cuanto a tamaño de estructuras y potencias eléctricas en juego. Tecnología de los aerogeneradores actuales la mayoría de los aerogeneradores instalados en el mundo son de velocidad fija. La mitad aproximadamente, limitan la potencia por entrada en pérdida, y la mitad emplean un control activo de ángulo de pala. No obstante, la tendencia actual es que cada vez se construyen más aerogeneradores de velocidad variable. La mayoría de los sistemas de velocidad fija emplean generadores de inducción. Las principales ventajas frente al generador síncrono son el menor precio, ausencia de circuito de excitación, mejor comportamiento transitorio y mejor comportamiento ante sobrecarga. No obstante, también existen turbinas de velocidad fija con generador síncrono (prototipos MOD instalados en Estados Unidos). Entre los sistemas de velocidad variable, los generadores más empleados son los asíncronos doblemente alimentados, pero también existen modelos comerciales con generador síncrono multipolar.

19 La tabla siguiente resume las ventajas e inconvenientes de los distintos métodos de control de potencia. Tipo de Control Ventajas Inconvenientes Entrada en pérdida Simplicidad Palas fijas Menor aprovechamiento a vientos altos Ángulo de pala Mejor aprovechamiento a vientos altos Velocidad variable Menos ruido Control del factor de potencia Menos esfuerzos mecánicos Reducción de fluctuaciones de tensión Mejor aprovechamiento a todas las velocidades de viento Mas costosos Mayor cantidad de averías en el mecanismo Mas complejo Ligera pérdida de potencia en el convertidor

20 Por último, aunque menos frecuentes, también existen turbinas con generadores de inducción con convertidores electrónicos entre el estator y la red y con generadores de reluctancia. Las características más frecuentes de los aerogeneradores actuales son: Potencia nominal. La potencia media es aproximadamente 1.5 MW, pero existen modelos comerciales de mayor potencia. Diámetro del rotor. Hasta 120 m. La tendencia es hacia modelos mayores Buje de rotor Caja multiplicadora de velocidad (en aerogeneradores con generador de inducción) Sin caja multiplicadora de velocidad (en aerogeneradores con generador sincrónico multipolo) controlador electrónico (posee un ordenador que continuamente monitoriza las condiciones del aerogenerador) mecanismo de orientación (activado por un controlador electrónico que vigila la dirección del viento mediante una veleta) veleta y anemómetro (miden velocidad y dirección del viento) Ordenador sistema hidráulico (propósito primordial del sistema es el de restablecer los frenos aerodinámicos del sistema generador) Unidad refrigerante del aceite (para enfriar el multiplicador)

21 Potencia generada por la Turbina Eólica 1 La ecuación de potencia generada vista anteriormente: P = ρ A V La figura a continuación exhibe la potencia que 2 Desarrolla un aerogenerador con variación de posición de palas 3

22 Tipos de Turbinas Eólicas Turbinas eólicas con velocidad fija: Con generador de inducción conectado directamente a la red eléctrica (menor costo). Si bien se ha utilizado la máquina sincrónica en algunos prototipos la máquina de inducción es la utilizada mayormente en este tipo de turbinas. Poseen caja de engranajes para elevar la velocidad (20-30 rpm) a una tal que permita usar máquinas eléctricas de cuatro polos ( rpm). Se diseñan para obtener una eficiencia máxima a una velocidad de viento, aunque algunas pueden tener dos velocidades, es por eso que estos aerogeneradores tienen dos generadores o un generador con dos bobinados. Turbinas eólicas con velocidad variable: Si operan dentro de un estrecho rango de velocidad son similares a las anteriores. Normalmente tienen un generador de inducción de doble alimentación con un convertidor conectado al rotor. Requiere caja de engranajes. Cuando operan dentro de un rango amplio de velocidad están equipados con un convertidor de frecuencia. Esto permite utilizar un generador de accionamiento directo con gran diámetro (multipolo), no requiere caja de engranajes y la góndola es de diseño más simple. El generador a diferencia del de inducción que requiere importante precisión en el montaje y alineación estará integrado con la góndola.

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25 1-Casquete de buje 2- Buje del rotor 3- Piezas de prolongación (extender) 4-Eje Principal 5- Rodamientos de eje principal y carcasa de rodamientos 6-Topbox 7- suspensión del multiplicador 8-Multiplicador 9- Bloqueo del rotor 10- Disco de freno 11-Pinza de freno 12- Acoplamiento 13-Generador 14- Veleta y anemómetro 15-Salida de aire (generador) 16- Suspensión del generador 17-Capota 18-Suspensión de la capota 19-Bancada 20-Torre- Soporte de la zapata de deslizamiento 22- Corona giratoria (de orientación) 23- Multiplicador del sistema de orientación 24- Pala de rotor.

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30 Generadores Turbinas de velocidad constante Generadores de inducción No se necesita sincronización con la red Autoarranque Necesita una fuente de kvars Turbinas de velocidad variable Generadores de inducción de doble alimentación Generadores sincrónicos multipolares

31 Wind turbine technology scheme of a nacelle with gearbox

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35 Wind turbine technology scheme of a gearless nacelle

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39 Technical development also for the Offshore market The currently biggest wind turbines Enercon E-112 Repower 5M Multibrid M5000 Capacity 4,5 MW 5 MW 5 MW Hub hight 112 meters 120 meters meters Rotor diameter 114 meters 126 meters 116 meters Currently installed 5 turbines (Emden, Wilhelmshaven, etc.) 1 turbine (Brunsbüttel) 1 turbine (Bremerhaven)

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50 Anemómetro y veleta

51 Diseño del Rotor Calaje ángulo de rotación de la pala a lo largo de su eje longitudinal El cambio de ángulo de calaje cambia las fuerzas sobre las palas y el torque del rotor Calaje fijo Calaje variable

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53 Existe una tendencia generalizada hacia las máquinas tripala, que representan la tendencia mas generalizada de los aerogeneradores actualmente instalados, si bien a medida que aumenta el diámetro de rotor incrementa el número de modelos bipalas. En la elección del material de las palas existe una tendencia clara hacia el uso de la fibra de vidrio-poliester, apareciendo también, especialmente en fabricantes del Reino Unido palas de laminados madera-epoxy, que han demostrado tener unas buenas características a fatiga. En la actualidad se están realizando nuevos desarrollos en fibra de carbón-poxy, en la esperanza que la previsible disminución en el coste del material pueda hacer competitivos en el futuro estos nuevos diseños apreciablemente mas ligeros. En la mayoría de los casos el rotor se encuentra situado a barlovento de la torre. Esta ubicación presenta la ventaja de reducir las cargas de fatiga al minimizar el efecto sombre de la torre y evitar el ruido aerodinámico producido por las palas cuando el rotor se sitúa a sotavento. Una de las primeras opciones que se analizaron para la reducción de peso, es reducir el número de palas. Para un rotor tripala de 60 m., el peso de cada pala es de aproximadamente 6 toneladas.

54 Además, los bujes de los aerogeneradores bipalas suelen ser más ligeros que los de los tripalas. La reducción total que se puede conseguir eliminando una pala puede ser evaluado hasta un 30% del peso total. No obstante, existen desventajas, como la aparición de mayores cargas asimétricas en el buje, lo que nos llevará a tener que diseñar bujes basculantes, incrementando su complejidad y coste. La velocidad específica de diseño afecta al peso del tren de potencia, esencialmente a aquellos componentes del mismo que se dimensionan en función del par motor. Para una potencia dada, el par será inversamente proporcional a la velocidad específica de diseño. La reducción total del peso que puede conseguirse al incrementar la velocidad de diseño de 7 a 10, puede evaluarse en un 20 %. El principal problema radica en el aumento del ruido aerodinámico, al incrementar la velocidad en punta de pala. La flexibilidad de la pala es un factor importante en la reducción de cargas sobre las máquinas. Con respecto a la fluctuación de las cargas, una pala flexible funciona como un amortiguador de las mismas. La amortiguación es principalmente de naturaleza aerodinámica, con una pequeña contribución de amortiguación de tipo puramente estructural. La flexibilidad se puede conseguir por medio de articulaciones, o por medio de diseños específicos como vigas flexibles en las zonas de encastre.

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56 La mayoría de aerogeneradores modernos tienen diseños tripala, con el rotor mantenido en la posición corriente arriba (en la cara de la torre que da al viento), usando motores eléctricos en sus mecanismo de orientación. A este diseño se le suele llamar el clásico "concepto danés", y tiende a imponerse como estándar al resto de conceptos evaluados. La gran mayoría de las turbinas vendidas en los mercados mundiales poseen este diseño. El concepto básico fue introducido por primera vez por el célebre aerogenerador de Gedser. aerogeneradores tienen la ventaja de ahorrar el coste de una pala y, embargo, suelen tener dificultades para penetrar en el mercado, en parte porque necesitan una mayor velocidad de giro para producir la supone una desventaja tanto en lo máquinas bipala han cambiado a Los diseños bipala de por su puesto, su peso. Sin misma energía de salida. Esto que respecta al ruido como al aspecto visual. Últimamente, varios fabricantes tradicionales de diseños tripala.

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60 Los aerogeneradores monopala no están muy extendidos comercialmente, pues los inconvenientes de los bipala también son aplicables, e incluso en mayor medida, a las máquinas monopala. Además de una mayor velocidad de giro, y de los problemas de ruido y de intrusión visual, necesitan un contrapeso en el lado del buje opuesto a la pala que equilibre el rotor. Obviamente, esto anula el ahorro de peso comparado con un diseño bipala.

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64 Las turbinas eólicas a barlovento son las que poseen el rotor o hélice enfrentando al viento, es decir delante de la torre. La ventaja básica de este tipo de máquinas es que evitan la influencia de la sombra aerodinámica de la torre. Sin embargo, aunque en menor medida que en una configuración a sotavento, existe una pequeña perturbación. Esto de debe a que en la porción del área del rotor que enfrenta a la torre se induce, igualmente, una variación en el patrón normal de variación presiones a lo largo de las líneas de flujo que atraviesan dicho sector. Debido a esto estas líneas de flujo empiezan a curvarse antes de llegar a la torre en si, aún si la superficie de ésta fuera cilíndrica y perfectamente lisa. Es así que cada vez que las palas del rotor pasen por las cercanías de la torre la potencia que posee el viento, y que éstas captan, cae sensiblemente.

65 En esta configuración el rotor o hélice se encuentra aguas debajo de la torre, detrás de ésta respecto a la dirección del viento. Este sistema posee la fundamental ventaja de no requerir dispositivo de orientación alguno, siempre y cuando se diseñe adecuadamente el rotor y la góndola de tal modo que haga que la misma "siga" de forma pasiva a la dirección del viento. Sin embargo esta manera de orientar a la hélice se ve obstaculizada por la forma en que se puede transmitir la corriente saliente desde el generador ya que una vinculación directa por medio de cables necesita un control activo del enroscado de los mismos (si la góndola ha girado repetidamente en el mismo sentido por un largo período de tiempo) y una por medio de anillos rozantes debe ser muy bien estudiada dadas las elevadas intensidades de carga que serán transmitidas.

66 Límite de Potencia Control por pérdida aerodinámica (Stall regulated) La posición de la pala en el cubo es fija La potencia es regulada en forma pasiva por el diseño de la pala Control por variación del calaje de las palas (Pitch regulated) La pala puede rotar alrededor del eje longitudinal La potencia es regulada en forma activa por medio del cambio del ángulo de calaje de las palas

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