SESION 2 ENERGÍA EÓLICA. Ing. Gonzalo Guerrón MSc

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1 SESION 2 ENERGÍA EÓLICA Ing. Gonzalo Guerrón MSc 16/10/2014

2 Las maquinas eólicas han experimentado cambios en cuanto a su diseño, estos están integradas por un conjunto de subsistemas cuyo objetivo es captar la energía cinética del viento y transformarla en energía eléctrica. Fuente:

3 Los aerogeneradores constan de las siguientes partes:. Sistemas de generación eléctrica. Sistemas de orientación. Sistemas de regulación y control. Sistemas de soporte. Fuente:

4 La energía cinética de la masa de aire se convierte en energía mecánica absorbida por el rotor. Fuente:

5 La energía transferida del sistema mecánico es transformada en energía eléctrica mediante un generador eléctrico. Fuente:

6 El subsistema de captación es el encargado de transformar la energía cinética del viento en energía mecánica de rotación. Está integrado por el rotor, el cual se compone de las palas y del buje. Fuente:

7 Clasificación de los Aerogeneradores. Eje horizontal Eje vertical

8 Aerogenerador de eje vertical Los aerogeneradores de eje vertical, con mayor desarrollo han sido los denominados Darrieus. Estas turbinas presentan ciertas ventajas: No necesitan mecanismo de orientación. Facilidad de instalar el generador eléctrico en tierra, Fuente:

9 Aerogenerador de eje vertical Desventajas Menor producción energética, a igual potencia instalada respecto a un aerogenerador de eje horizontal. Necesidad de motorizar el aerogenerador para su arranque. Fuente:

10 Aerogenerador de eje horizontal Los aerogeneradores de este tipo poseen un sistema de captación más desarrollados y utilizados en la producción energía, empleándose desde capacidades del orden de vatios a grandes aerogeneradores de potencia de varios MW. Fuente:

11 El rotor El rotor es a menudo considerado como el subsistema más importante, tanto desde el punto de vista del funcionamiento y en costos de fabricación. Los componentes más importantes del rotor son: Las palas.- son los dispositivos que convierten la fuerza del viento en el par necesario para generar potencia útil. (Eggleston y Stoddard, 1987). Fuente: Buje.- Es un soporte donde conecta las palas al árbol principal.

12 El rotor con eje horizontal. Los rotores tipo hélice (rápidos), giran a mayores velocidades y presentan mejores rendimientos aerodinámicos que los rotores multipala (lentos), por lo que se suelen destinar a la generación de electricidad. Rotores rápidos Rotor lentos Fuente:

13 El rotor con eje horizontal. Los rotores se clasifican en: Rotor mono-pala Rotor tri-pala Rotor bi-pala Fuente:

14 El rotor con eje horizontal. Los rotores mono-pala, características principales: Económicos Menor peso Más ruidosos Requieren de un contrapeso que equilibre la pala Fuente:

15 El rotor con eje horizontal. Los rotores bi-pala características principales: Económicos y ligeros que los tripala, Ruidosos debido a que necesitan girar a mayor velocidad que los tripala para producir la misma energía. Fuente:

16 El rotor con eje horizontal. Los rotores tri-pala como su nombre indica consta de tres palas, estas se fabricarán individualmente, deben unirse a un buje metálico. La utilización en parques eólicos de los rotores rápidos es: Tri-pala 68% Bi-pala 26% Mono-pala 6% Fuente:

17 Aerodinámica del subsistema de captación Albert Betz ( ), físico Alemán que participó en la elaboración de las bases teóricas de los modernos aerogeneradores, publicó en 1919 una teoría, conocida como ley de Betz. Según esta ley no puede convertirse más del 16/27 (el 59,3%) de la energía cinética del viento en energía mecánica mediante una turbina eólica. (Le Gouriére s, 1982; Manwell et al, 2002; Burton et al, 2001). Fuente:

18 Aerodinámica del subsistema de captación La potencia máxima en el rotor de una turbina eólica viene dada: P r = ρav 1 3 W Donde: A => Área barrida por el rotor, o la densidad del aire V1 => Velocidad del viento aguas arriba del rotor (velocidad no perturbada). Límite => 16/27 equivalente 59,3% Fuente:

19 La potencia de los rotores con mayor tecnología, no supera en general el 70% o 80% de la potencia máxima calculada con la fórmula de Betz. Es decir, la potencia del rotor de una turbina eólica. 1 P r = C P 2 ρav 1 3 = 1 2 C Pρ πd2 4 v 1 3 (W) Cp => Coeficiente de potencia del rotor ρ => Densidad del aire D => Diámetro del circulo de barrido de las palas v => velocidad del viento Fuente: Carta José, Calero Roque, Colmenar Antonio, Castro Manuel, Centrales de energías renovables, 2009

20 Sistema de Captación En función de la disposición del rotor frente a la velocidad del viento estos pueden clasificarse en rotores: Rotor a Sotavento No necesita mecanismo de orientación. Palas menos rígidas. Altas cargas de fatiga por efecto de sombra Rotor a Barlovento (más empleado): Evitan efecto sombra de la torre. Necesitan mecanismo de orientación. Fuente:

21 Control de las palas Las palas puedan o no girar respecto a su eje longitudinal, los rotores se clasifican en rotores de paso variable o rotores de paso fijo. Los rotores de paso variable permiten una mayor producción energética ya que se puede lograr una mejor adaptación aerodinámica de la pala al viento incidente. Fuente:

22 Sistemas de control de pitch Permite regular con total control y precisión el ángulo de paso de pala, permitiendo extraer la máxima energía del viento. Regulación pasiva por pérdida aerodinámica ( stall-controlled ) Se presenta por pérdida aerodinámica tienen las palas del rotor unidas al buje en un ángulo fijo Sistemas de control de Yaw Sistema para orientar el aerogenerador en la dirección del viento (rotor a barlovento). Orienta la máquina según la señal de control de la veleta Fuente:

23 Buje El buje de la turbina eólica es el componente que conecta las palas al árbol principal. Existes tres tipos básicos de bujes que se aplican en las turbinas de eje horizontal: bujes rígidos, bujes balanceantes (denominados en inglés teetering), bujes para palas articuladas (denominados en inglés hinged hub). Fuente:

24 Subsistema de transmisión mecánica Los aerogenerador está compuesto por todas las partes en rotación de la turbina. Éstas incluyen un árbol de baja velocidad: Acoplamientos Freno Caja multiplicadora de engranajes Árbol de alta velocidad. Fuente: Carta José, Calero Roque, Colmenar Antonio, Castro Manuel, Centrales de energías renovables, 2009

25 Subsistema de transmisión mecánica Existen dos tipos básicos de cajas de engranajes usadas en los aerogeneradores: Cajas de engranajes de árboles paralelos. Cajas de engranajes planetarios. En algunos diseños no se considera el uso del multiplicador, siendo sustituida su función por elementos de carácter eléctrico o electrónico. Fuente:

26 Direct drive Fuente:

27 2. Componentes de los Aerogeneradores Sistemas de generación eléctrica El sistema eléctrico de un aerogenerador incluye todos los dispositivos que intervienen en el proceso de conversión de la energía mecánica en energía eléctrica. La generación eléctrica de un aerogenerador puede realizarse a través de: Generadores eléctricos asíncronos, con los siguientes tipos de rotor: Rotor jaula de ardilla Rotor devanado con resistencias variables Rotor devanado doblemente alimentado Generadores síncronos, con los siguientes tipos de excitación Síncronos con excitación con electroimanes Síncronos con excitación con imanes permanentes

28 2. Componentes de los Aerogeneradores Sistemas de generación eléctrica Generadores asincrónicos Los motores asíncronos son máquinas rotativas de flujo variable y sin colector. El campo inductor está generado por corriente alterna. Generalmente, el inductor está en el estator y el inducido en el rotor. La velocidad de giro (n) de este tipo de generadores está ligada con la de sincronismo (n s ) por el denominado deslizamiento (s). S = n n s n s Fuente: Carta José, Calero Roque, Colmenar Antonio, Castro Manuel, Centrales de energías renovables, 2009

29 2. Componentes de los Aerogeneradores Sistemas de generación eléctrica El generador asíncrono necesita tomar energía de la red para crear el campo de excitación del estator. Esta energía, al alimentar una bobina, consumirá corriente desfasada de la tensión (energía reactiva), con lo que la línea eléctrica de distribución a la que se encuentra conectada la instalación eólica. Fuente: Carta José, Calero Roque, Colmenar Antonio, Castro Manuel, Centrales de energías renovables, 2009

30 2. Componentes de los Aerogeneradores Sistemas de generación eléctrica Generadores asíncronos con control de deslizamiento. Para controlar un generador asíncrono de velocidad variable se logra modificando el deslizamiento. Algunas turbinas disponen de control dinámico del deslizamiento, para ello emplean resistores en el rotor del generador eliminando la necesidad de usar anillos de deslizamiento. Fuente: Carta José, Calero Roque, Colmenar Antonio, Castro Manuel, Centrales de energías renovables, 2009

31 2. Componentes de los Aerogeneradores Sistemas de generación eléctrica Generadores sincrónicos El generador síncrono está compuesto principalmente de una parte móvil o rotor y de una parte fija o estator, el principio de funcionamiento de un generador síncrono se basa en la ley de Faraday. Para crear tensión inducida en el (estator), debemos crear un campo magnético en el rotor o circuito de campo, alimentando el rotor con una batería, este campo magnético inducirá una tensión en el devanado de armadura por lo que tendremos una corriente alterna fluyendo a través de él. n s = 60f p La velocidad de sincronismo, en rpm, está relacionada con el número de pares de polos (p) de la máquina y con la frecuencia de la corriente eléctrica (f) en Hz, según la Ecuación

32 2. Componentes de los Aerogeneradores Sistemas de generación eléctrica Generadores síncronos operan a velocidad de giro constante y conectados directamente a la red. Generadores síncronos con convertidores AC/DC/AC operando a velocidad de giro variable conectados a la red Fuente: Carta José, Calero Roque, Colmenar Antonio, Castro Manuel, Centrales de energías renovables, 2009

33 2. Componentes de los Aerogeneradores Sistemas de generación eléctrica Aerogenerador de velocidad fija Fuente:

34 2. Componentes de los Aerogeneradores Sistemas de generación eléctrica Aerogenerador de velocidad variable doblemente alimentado Fuente:

35 3. Componentes de los Aerogeneradores Sistemas de orientación El cambio de dirección del viento incidente hace necesaria la orientación del rotor situándose perpendicularmente a dicha dirección. Existen dos clases de sistemas de orientación: orientación activa y orientación pasiva Las turbinas con orientación activa normalmente disponen de rotor a barlovento. Para realizar la orientación se utiliza la información obtenida a partir de los datos de dirección de viento y posición de la máquina.

36 3. Componentes de los Aerogeneradores Sistemas de orientación Los sistemas de orientación denominados pasivos cuentan con elementos mecánicos que aprovechan las propias fuerzas aerodinámicas para realizar las maniobras de orientación. Las turbinas pequeñas normalmente emplean veletas. Si la velocidad del viento actúa sobre la misma, se genera un empuje sobre la cola aerodinámica que obliga a la turbina a realizar un giro y colocar el rotor perpendicular a la dirección del viento. Fuente:

37 4. Componentes de los Aerogeneradores Sistemas de regulación y control Control Para generar potencia de forma óptima las turbinas necesitan de un subsistema de control que enlace la operación de todos los componentes del aerogenerador. Fuente: Carta José, Calero Roque, Colmenar Antonio, Castro Manuel, Centrales de energías renovables, 2009 El subsistema de control y regulación tiene la misión incrementar la captación de energía cinética del viento, mejorar la potencia eléctrica generada y garantizar un funcionamiento seguro de la máquina

38 4. Componentes de los Aerogeneradores Sistemas de regulación y control Los sistemas de regulación permiten que la máquina se adapte a cualquier condición del viento y de potencia, para esto se modifica el ángulo de ataque a las palas y el par de generador eléctrico. El control de la velocidad de giro en sistemas aislados mediante el control del ángulo de paso de las palas solo es posible si la potencia suministrada por el viento, y no puede ajustarse a las fluctuaciones extremadamente breves. Fuente:

39 2. Componentes de los Aerogeneradores Sistemas de soporte Fuente:

40 5. Componentes de los Aerogeneradores, Sistemas de soporte Góndola. La góndola está formada por el bastidor o estructura portante de acero en el que se montan la mayoría de los distintos subsistemas de la máquina eólica y la carcasa que, diseñada de forma aerodinámica, los protege de los agentes atmosféricos. Fuente:

41 5. Componentes de los Aerogeneradores Sistemas de soporte Góndola Es el chasis principal del aerogenerador, se sitúa en la parte superior de la torre, en su interior se encuentran los elementos eléctricos y mecánicos. Lleva instalado un anemómetro y una veleta conectados a los sistemas de control de aerogenerador, y unos respiraderos para garantizar la refrigeración del motor. Se construyen en acero forjado y placas de fibra de vidrio. Fuente:

42 5. Componentes de los Aerogeneradores Sistemas de soporte Torre La torre es el elemento encargado de elevar el rotor de la máquina respecto del nivel del suelo. La altura mínima de la torre está condicionada por el diámetro del rotor del subsistema de captación y la altura máxima por el coste y la dificultad de instalación. Fuente:

43 5. Componentes de los Aerogeneradores Sistemas de soporte Cimentación La cimentación de hormigón armado cuya dimensión depende de las características del terreno, del tamaño de la máquina eólica y de las condiciones mecánicas que produzca el régimen de vientos de la zona de instalación. Fuente:

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