Universitat Institute for LifeLong Learning Institut de Formació Contínua Instituto de Formación Continua de Barcelona LA TEMA 1 INTRODUCCIÓN A LA Y A LA TECNOLOGÍA DE LOS AEROGENERADORES ALEXANDRE COSTA INGENIERO SUPERIOR EN ELECTRÓNICA, MSCENINGENIERÍA MECÁNICA, DOCTOR EN INGENIERÍA INDUSTRIAL, INVESTIGADOR DE LA UNIDAD DE DE CIEMAT (CENTRO DE INVESTIGACIONES ENERGÉTICAS, MEDIOAMBIENTALES Y TECNOLÓGICAS) de esta edición: Fundació IL3-UB, 2009 LA D.L.: B-46901-2009 U B Les Heures Fundació Bosch i Gimpera Universitat de Barcelona UNIVERSITAT DE BARCELONA Virtual
ÍNDICE 3. Conceptos preliminares... 3 3.1. Potencia disponible en el viento... 3 3.2. El aerogenerador... 4 3.2.1. Clasificación de los aerogeneradores... 5 3.3. Componentes del aerogenerador... 6 3.3.1. Aerogeneradores pasivos... 6 3.3.2. Aerogeneradores activos... 8 3.4. Curva de potencia... 9 2
3. CONCEPTOS PRELIMINARES En este apartado se desarrolla los aspectos más importantes y más utilizados que caracterizan el recurso eólico y a analizar los aerogeneradores desde un punto de vista físico y tecnológico. 3.1. POTENCIA DISPONIBLE EN EL VIENTO La potencia disponible en el viento es la tasa de variación (en el tiempo) de la energía cinética asociada al viento. La cuantificación de dicha potencia permite esbozar una idea respecto a la potencia de salida del aerogenerador. Considérese el ejemplo de la figura 1, donde se observa un volumen de control con espesor infinitesimal (dl) que contiene una masa infinitesimal de aire que se desplaza a una velocidad u, siendo A el área de la sección paralela al plano del rotor del aerogenerador (A coincide con el área barrida del rotor del aerogenerador). A u dl Figura 1. Volumen de control con espesor infinitesimal. La energía cinética asociada es, por definición: (3.1) Donde de es el diferencial de energía cinética; u, la velocidad del viento; y dm, el diferencial de masa. 3
Considerándose dm = ρadl, donde ρ es la densidad del aire considerado como un fluido incompresible en una primera aproximación (Crespo, 2006), la ecuación 3.1 se puede rescribir como: (3.2) Sustituyéndose dl = udt (donde dt es el diferencial de tiempo) en la ecuación 3.2, se obtiene: (3.3) Donde P d es la potencia disponible en el viento, proporcional al cubo de la velocidad del viento. 3.2. EL AEROGENERADOR Aquí, el término aerogenerador se utiliza para designar el sistema que convierte la energía cinética contenida en el viento en energía eléctrica, según la definición de wind turbine generator (WTG) proporcionada por IEA (1993). IEA (1993) define wind turbine (WT) como: «Una máquina rotativa (incluyéndose su estructura soporte) para la conversión de la energía cinética contenida en el viento en energía mecánica en el eje de su rotor». Considerándose esta última definición y basándose en la ecuación 3.3, la potencia mecánica (P m ) en el eje del rotor se puede escribir como: (3.4) Donde C p es el rendimiento aerodinámico de la máquina, representando la fracción de la potencia disponible en el viento que el rotor es capaz de convertir en potencia mecánica en su eje y siendo su valor máximo teórico (C p,máx ) el de: 5 Para ampliar información véase el tema 3 «Fundamentos en aerodinámica». 4
Basándose en la ecuación 3.4, se puede escribir la potencia eléctrica de salida del aerogenerador como: (3.5) Donde el rendimiento η representa todas las pérdidas que no son debidas a las pérdidas aerodinámicas representadas por C p (por ejemplo, pérdidas mecánicas en la transmisión, pérdidas eléctricas en el generador eléctrico, etc.). Considérese la siguiente definición para la potencia nominal de un aerogenerador (IEA, 1993; AENOR, 2007): «La potencia eléctrica máxima que, de manera continua, un aerogenerador está diseñado para suministrar, en las condiciones normales de funcionamiento.» 3.2.1. CLASIFICACIÓN DE LOS AEROGENERADORES Se puede clasificar los aerogeneradores conforme a dos criterios, según: 1. La magnitud de la potencial nominal. 2. La aplicación. A continuación se desarrollará estas clasificaciones. CLASIFICACIÓN SEGÚN LA MAGNITUD DE LA POTENCIA NOMINAL Basándose en la magnitud de la potencia nominal, los aerogeneradores se pueden clasificar, actualmente, en tres clases: 1. Pequeños aerogeneradores, de potencia nominal (P n ) hasta 100 kw, cuya clasificación se puede detallar en: Picoaerogeneradores (P n < 1 kw). Microaerogeneradores (1 kw P n < 7 kw). Miniaerogeneradores (7 kw P n < 50 kw). Para aerogeneradores de potencia nominal en el intervalo 50 kw P n < 100 kw, aún no se ha adoptado una definición clara (Arribas y Cruz, 2009). 2. Aerogeneradores de media potencia, de potencia nominal entre 100-500 kw. 3. Grandes aerogeneradores, de potencia nominal superior a 500 kw. Cabe enfatizar que esta clasificación es bastante flexible y dependiente de organismos y países, siendo los límites mencionados (en kw) nada más que valores de referencia. 5
CLASIFICACIÓN SEGÚN SU APLICACIÓN La clasificación de los aerogeneradores por aplicación es aún más flexible que la anterior. En un primer intento, actualmente, se puede plantear la siguiente, es decir, que los aerogeneradores de potencia nominal: Hasta 50 kw usualmente se emplean en aplicaciones aisladas (no conectados a la red eléctrica convencional), aunque es cada vez más frecuente el empleo de dichos aerogeneradores también en la generación distribuida (conectados a la red eléctrica convencional). Entre 50-500 kw se suelen utilizar en sistemas aislados híbridos eólico/diesel, así como en configuraciones de microrredes independientes de la red eléctrica convencional. Tal como en el caso anterior, es cada vez más habitual el empleo de los aerogeneradores en este rango de potencia, también para la generación distribuida. Entre 500 kw-2 MW se acostumbran a usar en los parques eólicos on-shore («en tierra»); el parque eólico es una central cuya producción de electricidad se destina a la inyección en la red eléctrica convencional. Superior a 2 MW, se están desarrollando para su aplicación en parques eólicos offshore («marinos»); son ya objeto de investigación las máquinas de 10 MW y 20 MW de potencia nominal (EWEA, 2009). 3.3. COMPONENTES DEL AEROGENERADOR En el anterior apartado 3.2.1, se planteaba dos clasificaciones. En éste, se plantea una tercera: desde un punto de vista tecnológico, los aerogeneradores se pueden clasificar en dos grupos básicos, como máquinas: 1. Pasivas. 2. Activas. 3.3.1. AEROGENERADORES PASIVOS Los aerogeneradores llamados pasivos son aquellos en los que buena parte de sus mecanismos de control/regulación son pasivos, es decir, los mecanismos se basan en principios puramente mecánicos, prescindiendo de actuaciones electroelectrónicas. Ejemplo El mecanismo de orientación del rotor aerodinámico respecto a la dirección predominante del viento se basa en el equilibrio de una veleta inmersa en el campo de viento (figura 2 de la página siguiente). Cabe enfatizar que, incluso si es considerado pasivo, el aerogenerador suele contar con uno u otro mecanismo activo como, por ejemplo, el regulador de tensión que hace la interfaz entre la salida del generador eléctrico del aerogenerador y el sistema, al que el aerogenerador suministra potencia. 6
La gran mayoría de los aerogeneradores con potencia nominal de hasta 50 kw son pasivos, y el diseño presentado en la figura 2 es el característico del rango de potencias entre 1-50 kw (Arribas y Cruz, 2009). Este tipo de máquinas presentan, típicamente, las siguientes características: Rotor aerodinámico de eje horizontal movido esencialmente por la fuerza de sustentación aerodinámica. Rotor tripala a barlovento, es decir, rotor aerodinámico en el cual el viento impacta antes que en la torre que lo sujeta (para potencias inferiores a 1 kw, los aerogeneradores suelen llevar más de tres palas). Generador (eléctrico) síncrono de imanes permanentes de velocidad variable (los imanes proporcionan robustez y autonomía al generador eléctrico, puesto que el campo de excitación es intrínseco a este material magnético, lo que, por consiguiente, evita la necesidad de una excitación externa). Acoplamiento directo entre el rotor aerodinámico y el generador eléctrico (rotor y generador comparten la misma velocidad angular «mecánica» y la velocidad angular «eléctrica» del generador depende de esta velocidad angular «mecánica» y, además, del número de polos del generador (Fitzgerald y cols., 1971). Veleta de cola, para la orientación pasiva del rotor aerodinámico respecto a la dirección predominante del viento. Regulación pasiva de la potencia de salida del aerogenerador (la mayor parte de estos aerogeneradores regula la potencia de salida a través de un mecanismo pasivo de pérdida aerodinámica. En este caso, entiéndase por regulación la limitación de la potencia de salida del aerogenerador; el propósito principal de esta limitación es el de garantizar la integridad física de los componentes del aerogenerador, empezando por impedir sobretensiones en el generador eléctrico). A E Figura 2. Típico aerogenerador de potencia nominal entre 1-50 kw (donde A es una pala del rotor aerodinámico; B es la góndola que alberga el generador eléctrico directamente acoplado al rotor aerodinámico; C es la veleta de cola; D es la torre soporte; y E es el buje). B D C 7
3.3.2. AEROGENERADORES ACTIVOS En cuanto a los aerogeneradores con potencia nominal superior a 50 kw, la gran mayoría es activa; el diseño presentado en la figura 3 es característico del rango de potencias superior a 500 kw (EWEA, 2009). Las características que presentan típicamente este tipo de aerogeneradores son: Rotor aerodinámico de eje horizontal movido esencialmente por la fuerza de sustentación aerodinámica. Rotor tripala a barlovento. Generador (eléctrico) asíncrono de velocidad fija o síncrono bobinado de velocidad variable. Acoplamiento indirecto (a través de caja multiplicadora) entre el rotor aerodinámico y el generador eléctrico (mientras el rotor aerodinámico suele tener una velocidad angular «mecánica» de algunas decenas de rpm, la velocidad angular «mecánica» del generador eléctrico acostumbra a ser de algunas centenas de rpm). Orientación activa (a través de motor de paso) del rotor aerodinámico respecto a la dirección predominante del viento. Regulación pasiva o activa de la potencia de salida del aerogenerador (mientras la regulación pasiva se basa en la pérdida de sustentación aerodinámica en las palas con ángulo de paso fijo, la regulación activa lo hace en el cambio de paso de las palas a través de motor de paso). H G F A E B C D Figura 3. Típico aerogenerador de potencia nominal superior a 500 kw (donde A es la góndola; B es el generador eléctrico; C es la caja multiplicadora; D es la torre soporte; E es el buje; F es una pala del rotor aerodinámico; G es el eje de baja velocidad; y H es el eje de alta velocidad). 8
La elección del número de palas del aerogenerador responde a distintos criterios técnico-económicos como, por ejemplo: La cantidad de material empleado en la construcción del rotor aerodinámico. El equilibrado del rotor aerodinámico. El par mecánico demandado al rotor aerodinámico (para una misma potencia nominal y un mismo diámetro del rotor, cuanto mayor es el número de palas, más elevado es el par mecánico y, consecuentemente, menor la velocidad angular del rotor). Ejemplo Los molinos mecánicos tradicionales de bombeo de agua suelen necesitar un par mecánico más elevado para accionar su bomba de émbolo mientras que los aerogeneradores requieren un par mecánico menor a fin de accionar su generador eléctrico. Por tal razón, los molinos mecánicos suelen tener mayor número de palas que los aerogeneradores. El hecho de que la gran mayoría de los aerogeneradores de potencia nominal igual o superior a 1 kw posea tres palas responde a una solución de compromiso (criterios técnicoeconómicos) encontrada por el sector eólico (EWEA, 2009). 3.4. CURVA DE POTENCIA AENOR (2007) define la curva de potencia medida de un aerogenerador como: «La tabla y el gráfico que representa la potencia de salida neta medida, corregida y normalizada de un aerogenerador en función de la velocidad del viento medida, según un procedimiento de medición bien definido». El término normalizada se refiere a una reducción (de la curva de potencia) a un determinado valor de la densidad del aire, y el valor de referencia comúnmente adoptado para la densidad del aire es de 1.225 kg/m 3 (AENOR, 2007). 9
En una curva de potencia (en régimen estacionario), existen tres puntos que merecen especial atención (figura 4), los referentes a la velocidad: De arranque: se trata de la velocidad mínima necesaria del viento para que el aerogenerador produzca potencia útil. Nominal: es la velocidad del viento para la cual el aerogenerador produce su potencia nominal. De parada: es aquella velocidad máxima del viento para la cual el aerogenerador está diseñado a fin de producir potencia útil. Independientemente de los valores de las velocidades mencionados, las curvas de potencia se pueden clasificar en dos grandes grupos en función del mecanismo de regulación de potencia empleado por el aerogenerador. Las curvas de potencia de los aerogeneradores: 1. De paso fijo regulados por pérdida aerodinámica, en las que el comportamiento de la curva de potencia (para velocidades del viento entre la nominal y la de parada) está regido por el mecanismo pasivo de regulación; es éste un mecanismo menos preciso que el cambio de paso (figura 4.a). 2. Regulados por cambio de paso, un mecanismo activo que limita con mayor precisión la potencia de salida del aerogenerador «saturando» la curva de potencia para velocidades del viento entre la nominal y la de parada (figura 4.b). En el tema 3 de este módulo Z se retomará los contenidos relacionados aquí. 900 900 800 800 700 700 Potencia eléctrica (kw) 600 500 400 300 Potencia eléctrica (kw) 600 500 400 300 200 200 100 100 0 0 10 20 30 u a u n u p 0 0 10 20 30 u a u n u p Velocidad del viento (m/s) Velocidad del viento (m/s) (a) (b) Figura 4. (a) Curva de potencia de un típico aerogenerador de paso fijo regulado por pérdida aerodinámica; (b) curva de potencia de un típico aerogenerador regulado por cambio de paso (u a es la velocidad de arranque; u n es la velocidad nominal; u p es la velocidad de parada). 10
Se define la velocidad de diseño como la velocidad del viento para la cual 5 La velocidad de diseño suele el rotor aerodinámico está diseñado; conviene mencionar que esta velocidad (la de diseño) no es necesariamente igual a la velocidad nominal. De ser inferior a la velocidad nominal. hecho, la velocidad de diseño suele ser inferior a la velocidad nominal (Arias, 2008). Por último, cabe mencionar que, entre las velocidades de arranque y nominal, las curvas de potencia suelen distanciarse de la curva cúbica ideal (ecuación 3.3) en función del comportamiento del rendimiento ηc p (ver ecuación 3.5), que se puede tomar como función de la velocidad del viento u: ηc p = f (u n ), donde típicamente n = 0, 1, 2 (Powell, 1981; Lysen, 1982; Costa, 2001). 11