ENERGÍA EÓLICA E HIDRÁULICA
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- Sofia Soriano Ortiz de Zárate
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1 ENERGÍA EÓLICA E HIDRÁULICA Lección 5: Descripción de los sistemas eólicos Damián Crespí Llorens Máquinas y Motores Térmicos Ingeniería Mecánica y Energía
2 Lección 5: Descripción de los sistemas eólicos Parte I Parte II 1.Clasificación de los rotores eólicos y elementos de un sistema eólico 2.3. Transmisión 2.Sistemas eólicos de gran potencia. Partes Sistema de adquisición y control 2.1 El Rotor 2.4. El generador 2.5. Sistemas de control de potencia 2.6. Sistemas de frenado 2.8. Sistema de orientación 2.9. Torre Cimentación Factor de capacidad y otros aspectos adicionales
3 Índice Lección 5: Descripción de los sistemas eólicos. Parte I 1.Clasificación de los rotores eólicos y elementos de un sistema eólico 2.Sistemas eólicos de gran potencia. Partes. 2.1 El Rotor
4 Clasificación de los sistemas eólicos Según potencia Principio de funcionamiento Número de palas...
5 Qué sistemas eólicos se han empleado? Savonius Multipala Darrieus Tripala
6 Savonius Desarrollada en Finlandia por S.J. Savonius (1931) Características generales: Eje vertical Rotor 3 m de alto y Diametro=1,75m Velocidad de giro: 103 rpm a 12 m/s de viento. Salida variable en tensión imposible conexión directa a la red
7 Savonius Aplicaciones: Bombeo de agua,... Ventajas: Arranca con mucha facilidad. No necesita orientación. Inconvenientes: Peso de los materiales Coeficiente de potencia. En torno a 0,2.
8 Darrieus Máquina de eje vertical Diseñada en 1931 por Darrieus, aunque se retomó en 1974.
9 Darrieus Principio de funcionamiento V: Velocidad del viento U: Velocidad del perfil W: velocidad relativa del desde el perfil Necesita motor de arranque
10 Darrieus Características generales Rotor: 17m alto x 17m diámetro Giro: 60 rpm a 12 m/s de viento Potencia: 60 kw Ventajas: No necesita stma orientación Forma de cuerda: trabaja en tensión pura Pala ligera y barata. Inconvenientes Motor de arranque Cp 0,3-0,4
11 Coeficiente de Potencia
12 Tipos de Máquinas Eólicas Sistemas de pequeña potencia kw. Sistemas aislados de la red: casas de campo, granjas, estaciones meteorológicas, poblados. Utilizan baterías. Pueden asociarse con sistemas fotovoltaicos. Otras aplicaciones: bombeo de agua y calefacción de viviendas.
13 Tipos de Máquinas Eólicas Sistemas de media potencia kw. Producción de electricidad y otros procesos industriales Se asocian generalmente a otros sistemas de producción de energía (sistemas híbridos).
14 Tipos de Máquinas Eólicas Sistemas de gran potencia 300 kw - 5 MW. Producción de electricidad Conforman los parques eólicos.
15 Índice Lección 5: Descripción de los sistemas eólicos. Parte I 1.Clasificación de los rotores eólicos y elementos de un sistema eólico 2.Sistemas eólicos de gran potencia. Partes.
16 Sistemas de gran potencia: partes
17 Partes de una aeroturbina Rotor Sistema de transmisión El generador eléctrico Sistemas de control de potencia Sistemas de frenado Sistema de control Sistema de orientación Elementos estructurales
18 Índice Lección 5: Descripción de los sistemas eólicos. Parte I 1.Clasificación de los rotores eólicos y elementos de un sistema eólico 2.Sistemas eólicos de gran potencia. Partes. 1.El Rotor
19 ROTOR Fuerza motriz: SUSTENTACIÓN (principalmente) Cuáles son los parámetros fundamentales?
20 ROTOR Rotor tripala
21 ROTOR Rotor tripala LIMITE DE BETZ (0,59) No se alcanza PORQUÉ?
22 ROTOR: pérdidas Pérdidas: Fricción (drag ó resistencia) Pérdida por desprendimiento (Stall) Rotación de la estela Punta de pala (Tip)
23 ROTOR: velocidad de rotación Cómo afecta la velocidad de rotación a la potencia? Rotor tripala Un valor de λ 7 Cp máximo
24 ROTOR: velocidad de rotación Cómo afecta la velocidad de rotación a la potencia? Rotor tripala Un valor de λ 7 Cp máximo La velocidad de giro más adecuada: Para cada Vo λ más próximo al óptimo
25 ROTOR: velocidad de rotación Cómo afecta la velocidad de rotación a la potencia?
26 Porqué cae Cp para λ altos? Porque nos alejamos del óptimo para el factor de inducción axial. Qué es el factor de inducción axial?
27 Porqué cae Cp para λ altos? Qué es el factor de inducción axial? El viento incide Par de rotación sobre las palas Fuerza axial Reacción: F. palas sobre aire Frena el flujo a: factor de inducción axial
28 Porqué cae Cp para λ altos? Para un rotor, el coeficiente de resistencia axial: Valor óptimo: C Daxial =8/ 9, a=1/3 C Daxial = f ( λ σ) σ: solidez = Área efectiva del rotor / Área de barrido Casos con Nivel apropiado De inducción axial
29 Porqué cae Cp para λ altos? 1)Velocidad de giro alta, 2 o 3 palas Par en el eje. Eje transmisión menos robusto Caja engranajes menor relación de transmisión 5 palas C Daxial Cp 1 pala λ λ
30 Porqué cae Cp para λ altos? 1)Velocidad de giro alta, 2 o 3 palas Par en el eje. En la práctica σ 0,1 λ diseño 8,5 Eje transmisión menos robusto Caja engranajes menor relación de transmisión Porqué cae Cp para λ altos? Si en extremo de la pala: Mach>0,3 Resistencia por compresibilidad del flujo Ruido
31 ROTOR A qué velocidad gira?... Máquinas de gran potencia: rpm Máquinas de pequeña potencia: rpm Objetivo: Máxima potencia Limitando el ruido Limitando necesidades estructurales.
32 ROTOR Cuántas palas? Una pala: Poco comunes, más baratos, necesitan compensación, menos potencia, problemas estructurales Ruido (necesitan más velocidad)
33 ROTOR Cuántas palas? Dos palas: Mayor potencia, problemas estructurales necesitan buje basculante Ruido
34 ROTOR Cuántas palas? Tres palas: más habituales, mayor potencia, sistema más compensado
35 Rotor: Qué partes tiene? Corrosión Peso Requisitos principales: Resistencia estructural y a fatiga Rigidez Ligero Fabricación Ligeros Resistentes Fabricación muy versátil
36 Rotor: Qué partes tiene? Requisitos principales: Resistencia estructural y a fatiga Rigidez Ligero Fabricación
37 Proceso de fabricación de palas
38 ROTOR: palas
39 ROTOR: palas Maximizar L/D OTROS FACTORES: Resistir la amplia gama de cargas de viento Condiciones climáticas severas Minimizar la influencia de partículas adheridas ruido peso costo
40 ENERGÍA EÓLICA E HIDRÁULICA Lección 5.2: Descripción de los sistemas eólicos (parte II) Damián Crespí Llorens Máquinas y Motores Térmicos Ingeniería Mecánica y Energía 53
41 Índice Lección 5: Descripción de los sistemas eólicos. Parte II (2. Sistemas eólicos de gran potencia. Partes) 2.3.Transmisión 2.4.El generador 2.5.Sistemas de control de potencia 2.6.Sistemas de frenado 2.7.Sistema de adquisición y control 2.8.Sistema de orientación 2.9.Torre Cimentación Factor de capacidad y otros aspectos adicionales
42 Transmisión Rel. Trans: 1:40 1:80 Se diseña para: aguantar la carga máxima con el menor tamaño y peso posible Emitir el mínimo ruido Mantenimiento sencillo 55
43 Transmisión: tipos de engranajes Ejes paralelos (43%) Ejes planetarios (57%): más compactos, menos pesados, menos ruido, mayor eficiencia a carga parcial, más caros 56
44 No es común (5%) El generador es de diseño Específico Caro, y de gran tamaño 58
45 El generador 59
46 Qué generadores se emplean en máquinas eólicas? SÍNCRONOS EN CRECIMIENTO ASÍNCRONOS LA MAYORÍA 60
47 Cómo funciona un generador asíncrono? motor de inducción conectado a red aplicamos un par para girar por encima de la velocidad de sincronismo Produce electricidad jaula de ardilla más utilizado (costes, robusto, mantenimiento Velocidad de giro: impuesta por la red Para elevar la potencia del generador desde 0 hasta Pnominal ω en 1 r.p.m. Forzar un giro mayor sobrecalentamiento y avería. Consumen potencia reactiva batería de condensadores 61
48 Cómo se utiliza un generador asíncrono en una turbina eólica? Conexión/ desconexión a la red 1.Generador+Rotor gira libre en función del viento 2.Cuando el gen+rotor supera ligeramente ω sinc 3.Conexión del generador a la red producción de energía a la frecuencia de red. 4.Si viento disminuye, se desconecta para no consumir situación 1. 62
49 Cómo se utiliza un generador asíncrono en una turbina eólica? Implicaciones de ω= cte Cargas dinámicas necesidad de estructuras robustas. Eficiencia del rotor no es máxima! Dada Vo Solo hay un valor de ω que hace Cp máxima Rotor tripala 63
50 Cómo se puede minimizar el impacto de ω= cte? Primeras soluciones: 2 generadores con velocidad de sincronismo distinta. Actualmente: Generadores de polos conmutables Cierta flexibilidad. Uso de motores síncronos desacoplados de la red 64
51 Cómo funciona un generador síncrono? Se aplica un par en el eje ω variable en función del par CA de frecuencia variable No se puede conectar a la red directamente! AC Qué solución se adopta??hz RED AC 50Hz Inversor CC Rectificador 67
52 Eficiencia del generador síncrono Velocidad variable: mayor eficiencia Elementos eléctricos adicionales con η<100% Ganancias netas 5-8% 68
53 En resumen Asíncronos: Velocidad de giro constante Robustos Baratos Los más utilizados en máquinas grandes 69
54 En resumen Síncronos: Acoplamiento a la red complicado. Investigación al respecto. Velocidad de giro variable reducción de cargas dinámicas sobre los elementos de acoplamiento. Permiten optimizar la potencia. 70
55 Qué generadores se emplean en aeroturbinas? Fracción potencia de entrada Potencia nominal turbina (PeR) 71
56 Sistemas de control de potencia P V 3 Porqué? Porqué controlamos la potencia? Motivos estructurales Motivos energéticos 72
57 Porqué controlamos la potencia? Motivos estructurales. Intentar aprovechar las velocidades más altas supone: Sobredimensionar caja de transmisión. Sobredimensionar el generador (Pn mayor para que no se sobrecargue). Costes directos e indirectos (peso estructura) EFICIENCIA MENOR A BAJAS VELOCIDADES 73
58 Porqué controlamos la potencia? Motivos energéticos. Energía anual hay en los vientos fuertes? Vo>18 m/s poca probabilidad Sólo 4% Energía Para distribución de Weibull k=2: Vn 1,7 V 74
59 Sistemas de control de potencia Qué sistemas de control existen? 1)Control por cambio de paso 2)Control por entrada en pérdida 1)Pasivo 2)Activo 75
60 Sistemas de control de potencia Control por cambio de paso ÁNGULO DE ATAQUE Control del ángulo de paso : α Fuerzas aerodinámicas: función del ángulo de ataque U: Velocidad de la pala V: Velocidad del viento W: velocidad relativa del viento 76
61 Sistemas de control de potencia ÁNGULO DE ATAQUE Control por cambio de paso Control del ángulo de paso : α EXISTEN OTRAS MUCHAS VARIABLES: Flexión de las palas, variación continua del viento, Falta de alineación Fuerzas aerodinámicas: Problema función del ángulo de es muy complejo U: Velocidad de la pala ataque V: Velocidad del viento W: velocidad relativa del viento 77
62 Como se cambia el ángulo de paso? Sistemas hidráulicos o eléctricos Giro sincronizado de todas las palas, que rotan sobre su eje (mástil) 78
63 Sistemas de control de potencia Control pasivo por entrada en pérdida Aerogeneradores con ángulo de calado constante Si aumenta el viento: V relativa Ángulo de ataque 80
64 Sistemas de control de potencia Control por entrada en pérdida Si aumenta el viento: V relativa Ángulo de ataque 81
65 Sistemas de control de potencia Control por entrada en pérdida Desconocimiento del flujo desprendido. Riesgo Técnica + Arte 55 % utilizan este método pasivo: Ahorra el coste de servos. Estimación de pérdida energética ~ 3-5% 82 MOSTRAR VIDEO
66 Sistemas de control de potencia Control por activo por entrada en pérdida Mismo principio Pequeña rotación de las palas: controla y limita la entrada en pérdida Mecanismos de rotación más simples que control por cambio de paso. 83
67 Sistemas de frenado Cuándo actúan? Vientos muy elevados. ω superior a la máxima aceptable. Exceso de vibraciones. Tª superior a la máxima aceptable (generador, transmisión) Pérdida de presión en controladores hidráulicos. Accidentes. 84
68 Sistemas de frenado 1) Tipos Aspas: en posición de bandera U: Velocidad de la pala V: Velocidad del viento W: velocidad relativa del viento 85
69 Sistemas de frenado Tipos 2) Porqué en ese punto? Par motriz mucho Menor 86 Inconveniente: caja de engranajes absorbe los esfuerzos
70 Sistemas de frenado Tipos 2) Si el disco es el sistema principal: requiere freno mayor pero es más seguro 87
71 Sistemas de frenado Tipos La punta rota: oposición aerodinámica al giro del rotor. 88
72 Sistemas de frenado Tipos Utilizada en sistemas a sotavento. Encara turbina dirección distinta al viento. 89
73 Sistema de adquisición y control Cada aerogenerador: sistema SCADA propio (Supervisory Control And Data Acquisition) CENTRO DE SUPERVISIÓN DEL PARQUE 90
74 Sistema de adquisición y control Parámetros que controlan: Inicio de operación (Va) Regulación de la velocidad y la potencia de salida, Orientación del rotor, Procesos de paro forzado, Elementos auxiliares... Adquirir y procesar datos de funcionamiento Comunicación con centros de supervisión 91
75 Sistema de Orientación 92
76 Sistema de Orientación 2 O 3 SERVOMOTORES SERVOMOTOR CORONA DENTADA PIÑÓN 93 ELEMENTO DE UNIÓN GÓNDOLA - TORRE Dispuestos de FRENO
77 Sistema de Orientación Control de la orientación No siguen la dirección del viento con gran dinámica. Algoritmos de toma de decisiones: Ha cambiado realmente la dirección del viento? Compromiso frecuencia de reorientación Alta degradación Baja pérdidas energéticas 94
78 Proceso de montaje de Góndolas Bastidor trasero Stma Orientación Bastidor trasero Armario Control Motor de orientación Sistema hidráulico Bastidor delantero Cuenta vueltas 95 on/proceso-fabricacion-montaje.html
79 Proceso de montaje de Góndolas Montaje tren Trafo y carcasa inferior Subconjunto Eje ppal/ multiplicador Trafo Carcasa inferior 96
80 Proceso de montaje de Góndolas Alineado e Interconexionado eléctrico Generador Stma de bloqueo del rotor 97
81 Proceso de montaje de Góndolas Montaje carcasa superior Rejilla refrigeración Trampilla Buje Nariz 98
82 Torre Torre en celosía Más barata Fácil de transportar. Peor estética Acceso externo, Mayor mantenimiento Mayor rigidez. 99
83 Torre Torre tubular Forma troncocónica Acceso interno Limitación debido al transporte, más peligroso. Relativamente cara Proporciona protección a equipos electrónicos Instalación fácil y rápida Comportamiento dinámico sencillo 100
84 Proceso montaje torres 101
85 Cimentación El cálculo de la cimentación depende de las cargas introducidas por el rotor eólico en las diferentes condiciones de operación. En terreno compacto (tensión admisible >3kg/cm^3) se dispone una zapata hormigón prensado sobre la que se monta una virola que luego se unirá a la torre. 102
86 Cimentación En terreno poco compacto es necesario sustentar la zapata de hormigón mediante pértigas o pilotes de sujeción. 103
87 Clasificación aerogeneradores / ubicacionesvmed anual = 10m/s Vmed anual = 7,5m/s Vref: Valor máximo de la velocidad promedio del viento en un intervalo de 10 min. Ocurre una vez cada 50 años Iref: Valor característico de la intensidad de turbulencia. A: alta, C baja. S: Categoría especial CLASE 0: viento excelente 104
88 Método de cálculo de Producción de electricidad Curva de potencia Aeroturbina Curva de velocidades de viento clasificadas tiempo 105
89 Factor de capacidad/planta Relación entre Energía producida Energía que produciría si funcionase siempre a régimen nominal Valor 18% - 40% CLASE I 106
90 107
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