50588155 Norma Colombiana Aerogeneradores 50566772 NTC5725

NORMA TCNICA COLOMBIANA

NTC 57252009-11-18

AEROGENERADORES. REQUISITOS DE DISEO PARA AEROGENERADORES PEQUEOS

E:

WIND TURBINES. DESIGN REQUIREMENTS FOR SMALL WIND TURBINES.

CORRESPONDENCIA:

esta norma es una adopcin modificada (MOD) IEC61400-2:2006 energa elica; aerogenerador; generacin de energa; requisitos de diseo; requisitos de seguridad.

DESCRIPTORES:

I.C.S.: 27.180.00Editada por el Instituto Colombiano de Normas Tcnicas y Certificacin (ICONTEC) Apartado 14237 Bogot, D.C. - Tel. (571) 6078888 - Fax (571) 2221435

Prohibida su reproduccin

Editada 2009-11-25

PRLOGO

El Instituto Colombiano de Normas Tcnicas y Certificacin, ICONTEC, es el organismo nacional de normalizacin, segn el Decreto 2269 de 1993. ICONTEC es una entidad de carcter privado, sin nimo de lucro, cuya Misin es fundamental para brindar soporte y desarrollo al productor y proteccin al consumidor. Colabora con el sector gubernamental y apoya al sector privado del pas, para lograr ventajas competitivas en los mercados interno y externo. La representacin de todos los sectores involucrados en el proceso de Normalizacin Tcnica est garantizada por los Comits Tcnicos y el perodo de Consulta Pblica, este ltimo caracterizado por la participacin del pblico en general. La NTC 5725 fue ratificada por el Consejo Directivo de 2009-11-18. Esta norma est sujeta a ser actualizada permanentemente con el objeto de que responda en todo momento a las necesidades y exigencias actuales. A continuacin se relacionan las empresas que colaboraron en el estudio de esta norma a travs de su participacin en el Comit Tcnico 185 Energa elica ACODAL EMPRESAS PBLICAS DE MEDELLN ENERGA PROYECTAR ESCUELA DE INGENIEROS MILITARES GREEN LOOP INDUSTRIAS JOBER METLICAS SIERRA TRONEX BATTERY COMPANY S.A. UNIDAD DE PLANEACIN MINERO ENERGTICA -UPMEUNIVERSIDAD PEDAGGICA Y TECNOLGICA DE COLOMBIA

Adems de las anteriores, en Consulta Pblica el Proyecto se puso a consideracin de las siguientes empresas: ACQUAIRE LTDA. ANDESCO CODENSA EMGESA ESCUELA DE INGENIERA JULIO GARAVITO FULGOR ENERGA S.A. IPSE LABORATORIO TECNOELCTRICO MINISTERIO DE MINAS Y ENERGA MINISTERIO DEL MEDIO AMBIENTE SUPERINTENDENCIA DE INDUSTRIA Y COMERCIO SUPERINTENDENCIA DE SERVICIOS PBLICOS UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES UNIVERSIDAD AUTNOMA DE COLOMBIA UNIVERSIDAD CENTRAL UNIVERSIDAD DE LA SALLE UNIVERSIDAD DE LOS ANDES UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA WAYUU E.S.P.

ICONTEC cuenta con un Centro de Informacin que pone a disposicin de los interesados normas internacionales, regionales y nacionales y otros documentos relacionados. DIRECCIN DE NORMALIZACIN


NTC 5725

CONTENIDO

Pgina 0. ACLARACIN..............................................................................................................1

1.

OBJETO Y CAMPO DE APLICACIN ........................................................................1

2.

NORMAS DE REFERENCIA........................................................................................2

3.

TRMINOS Y DEFINICIONES .....................................................................................3

4. 4.1 4.2

SMBOLOS Y ABREVIATURAS..................................................................................8 SMBOLOS...................................................................................................................8 SISTEMA CARTESIANO ...........................................................................................14

5. 5.1 5.2 5.3

ELEMENTOS PRINCIPALES ....................................................................................14 GENERALIDADES.....................................................................................................14 MTODOS DE DISEO .............................................................................................16 ASEGURAMIENTO DE LA CALIDAD .......................................................................16

6. 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5

CONDICIONES EXTERNAS ......................................................................................18 GENERALIDADES.....................................................................................................18 CLASES DE AEROGENERADORES PEQUEOS (SWT) .......................................18 CONDICIONES DEL VIENTO ....................................................................................19 OTRAS CONDICIONES AMBIENTALES ..................................................................26 CONDICIONES DE CARGA ELCTRICA.................................................................28

7.

DISEO ESTRUCTURAL ..........................................................................................29


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Pgina 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 8. 8.1 8.2 8.3 8.4 9. 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8 GENERALIDADES.....................................................................................................29 METODOLOGA DE DISEO ....................................................................................30 CARGAS Y CASOS DE CARGA ...............................................................................30 MODELO DE CARGA SIMPLIFICADO .....................................................................31 MODELADO AEROELSTICO .................................................................................39 MEDICIONES DE CARGA .........................................................................................42 CLCULO DE ESFUERZO........................................................................................42 FACTORES DE SEGURIDAD....................................................................................43 ANLISIS DEL ESTADO LMITE ..............................................................................44 SISTEMA DE PROTECCIN Y PARADA .................................................................45 GENERALIDADES.....................................................................................................45 REQUISITOS FUNCIONALES DEL SISTEMA DE PROTECCIN...........................46 PARADA MANUAL ....................................................................................................46 PARADA PARA MANTENIMIENTO ..........................................................................46 ENSAYOS ..................................................................................................................46 GENERALIDADES.....................................................................................................46 ENSAYOS PARA VERIFICAR LOS DATOS DE DISEO ........................................47 ENSAYO TCNICO DE CARGA ...............................................................................48 ENSAYO DE DURACIN ..........................................................................................49 ENSAYO DE LOS COMPONENTES MECNICOS ..................................................53 SEGURIDAD Y FUNCIN..........................................................................................54 ENSAYO AMBIENTAL...............................................................................................54 ELCTRICO ...............................................................................................................55


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10. 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7

SISTEMA ELCTRICO ..............................................................................................55 GENERALIDADES.....................................................................................................55 DISPOSITIVOS DE PROTECCIN............................................................................55 DISPOSITIVOS DE DESCONEXIN .........................................................................55 SISTEMA DE PUESTA A TIERRA ............................................................................56 PROTECCIN CONTRA DESCARGAS ATMOSFRICAS ......................................56 CONDUCTORES Y CABLES ELCTRICOS ............................................................56 CARGAS ELCTRICAS ............................................................................................56

11. 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6

ESTRUCTURA DE SOPORTE...................................................................................58 GENERALIDADES.....................................................................................................58 REQUISITOS DINMICOS ........................................................................................58 FACTORES AMBIENTALES .....................................................................................58 CONEXIN A TIERRA...............................................................................................58 CIMENTACIN...........................................................................................................58 CARGAS DE DISEO DE ACCESO A LA TURBINA...............................................59

12. 12.1 12.2 12.3 12.4

REQUISITOS DE DOCUMENTACIN ......................................................................59 GENERALIDADES.....................................................................................................59 INSTALACIN ...........................................................................................................59 FUNCIONAMIENTO ...................................................................................................60 MANTENIMIENTO E INSPECCIN DE RUTINA ......................................................60

13.

RTULOS DEL AEROGENERADOR .......................................................................62


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BIBLIOGRAFA......................................................................................................................97 DOCUMENTO DE REFERENCIA..........................................................................................98 + ANEXOS ANEXO A (Informativo) CERTIFICACIN TIPO DE LOS AEROGENERADORES PEQUEOS...............................63 ANEXO B (Normativo) PARMETROS DE DISEO PARA DESCRIBIR AEROGENERADORES DE CLASES ...........................................................................................................................66 ANEXO C (Informativo) MODELOS DE TURBULENCIA ESTOCSTICA..................................................................68 ANEXO D (Informativo) DESCRIPCIN DETERMINSTICA DE LA TURBULENCIA ................................................71 ANEXO E (Informativo) FACTORES DE SEGURIDAD PARCIAL PARA LOS MATERIALES ..................................73 ANEXO F (Informativo) DESARROLLO DE LAS ECUACIONES DE DISEO SENCILLO .......................................84

FIGURAS Figura 1. Definicin del sistema de ejes para HAWT ........................................................15 Figura 2. Ruta de decisin segn IEC 61400-2 ..................................................................17 Figura 3. Turbulencia caracterstica del viento......................................................................21 Figura 4. Ejemplo de rfaga extrema en funcionamiento (N = 1, Vhub = 25 m/s) .............23 Figura 5. Ejemplo de cambio de direccin extrema del viento en magnitud..................24 (N = 50, D = 5 m, zhub = 20 m) Figura 6. Ejemplo de cambio de direccin extrema del viento (N = 50, Vhub = 25 m/s)...........................................................................................................24 Figura 7. Rfaga coherente extrema(Vhub = 25 m/s) (ECG) ...............................................25


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Figura 8. Cambio de direccin para ECD ...........................................................................26 Figura 9. Desarrollo del tiempo del cambio de direccin para Vhub = 25 m/s..................26 TABLAS Tabla 1. Parmetros bsicos para las clases de aerogeneradores .................................19 Tabla 2. Casos de carga de diseo para el mtodo de clculo de carga simplificado ................................................................................................................33 Tabla 3. Coeficientes de fuerza, Cf ......................................................................................38 Tabla 4. Grupo mnimo de casos de carga de diseo para modelos aeroelsticos ......40 Tabla 5. Esfuerzos equivalentes .........................................................................................43 Tabla 6. Factores de seguridad parcial para los materiales.............................................44 Tabla 7. Factores de seguridad parcial para las cargas ...................................................44


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AEROGENERADORES. REQUISITOS DE DISEO PARA AEROGENERADORES PEQUEOS

0.

ACLARACIN

Esta norma es modificada (MOD) con respecto a la norma IEC 61400: 2006, en los siguientes aspectos: En el numeral en el texto del documento se incluyen algunas NTC idnticas a las normas IEC correspondientes. Se omiti la expresin esta parte de la IEC 61400 Inclusin del Anexo G (informativo) en el cual se establecen aclaraciones de algunas definiciones contempladas en el numeral 3. En el numeral 12.1 Requisitos de documentacin se estableci que esta debe estar en el idioma original y en espaol, con el propsito de que el usuario en Colombia cuente con la documentacin en su idioma.

-

-

1.

OBJETO Y CAMPO DE APLICACIN

Esta norma aborda la filosofa de seguridad, el aseguramiento de la calidad y la integridad de la ingeniera, tambin especifica los requisitos de seguridad para aerogeneradores pequeos, incluyendo diseo, instalacin, mantenimiento y operacin en condiciones externas especficas. Su propsito es brindar un grado adecuado de proteccin contra el dao debido a peligros derivados de estos sistemas durante su vida til planificada. Esta norma concierne a cualquier subsistema de los aerogeneradores pequeos tales como los mecanismos de proteccin, sistemas elctricos internos, sistemas mecnicos, estructuras de soporte, bases (fundaciones) y la interconexin elctrica con la carga. Aunque esta norma es similar a la NTC 5363 (IEC 61400-1), ella simplifica y hace cambios significativos con el objeto de poderla aplicar a turbinas pequeas. Esta norma se aplica a aerogeneradores con una rea de barrido del rotor inferior a 200 m2 (8 metros de radio) y que generan una tensin inferior a 1 000 V c.a o a 1 500 V c.c.

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Se recomienda usar esta norma junto con las normas IEC e ISO adecuadas (vase el numeral 2).

2.

NORMAS DE REFERENCIA

Los siguientes documentos de referencia son indispensables para la aplicacin de este documento. Para referencias fechadas nicamente se aplica la edicin citada. Para referencias sin fecha, se aplica la edicin ms reciente del documento mencionado (incluyendo todas las enmiendas). IEC 60034-1, Rotating Electrical Machines. Part 1: Rating and Performance. (NTC 2805) IEC 60034-2, Rotating Electrical Machines. Part 2: Methods for Determining Losses and Efficiency of Rotating Electrical Machinery from Tests (Excluding Machines form Traction Vehicles). (NTC 3477). IEC 60034-5, Rotating Electrical Machines. Part 5: Degrees of Protection Provide by the Integral Design of Rotating Electrical Machines (IP code). Classification. (NTC-IEC 34-5). IEC 60034-8, Rotating Electrical Machines. Part 8: Terminal Markings and Direction of Rotation. (NTC 1545) IEC 60038:1983, IEC Standard voltages Amendment 1 (1994) Amendment 2 (1997) lEC 60204-1, Safety of Machinery. Electrical Equipment of Machines. Part 1: General Requirements. lEC 60364-5-54, Electrical Installations of Buildings. Part 5-54: Selection and Erection of Electrical Equipment. Earthing Arrangements, Protective Conductors and Protective Bonding Conductors. lEC 60721-2-1, Classification of environmental conditions. Part 2-1: Environmental conditions appearing in nature. Temperature and humidity. lEC 61400-1, Wind Turbines. Part 1: Design Requirements. (NTC 5363) IEC 61400-12-1, Wind Turbines. Part 12-1: Power Performance Measurements of Electricity Producing wind Turbines. IEC 61400-13, Wind Turbines. Part 13: Measurement of Mechanical Loads. IEC 61400-23, Wind Turbines. Part 23: Full-Scale Structural Testing of Rotor Blades. IEC 61643-1, Low-Voltage Surge Protective Devices. Part 1: Surge Protective Devices Connected to Low-Voltage Power Distribution Systems. Requirements and Tests. ISO/IEC 17025:2005, General Requirements for the Competente of Testing and Calibration Laboratories. ISO 2394, General Principles on Reliability for Structures.

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NORMA TCNICA COLOMBIANA3. TRMINOS Y DEFINICIONES

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Para el propsito de esta norma se aplican los siguientes trminos y definiciones:NOTA Para la aclaracin de conceptos relacionados con las definiciones de los numerales 3.14, 3.24, 3.30, 3.32, 3.33, 3.44 y 3.45 vase el Anexo G.

3.1 Promedio anual. Valor promedio de un conjunto de datos medidos con tamao y duracin suficiente para servir de estimacin del valor esperado de la magnitud.NOTA El intervalo de tiempo promediado debe ser un nmero entero de aos para calcular el promedio de los efectos no estticos tales como las variaciones debidas a las estaciones.

3.2 Promedio anual de la velocidad del viento. Velocidad del viento promediada conforme a la definicin del promedio anual. 3.3 Ciclo de autoreconexin. Evento con un periodo de tiempo que varia aproximadamente desde 0,01 s a unos pocos segundos, durante el cual un interruptor que se abre tras una falla de la red se cierra automticamente y la lnea se vuelve a conectar a la red. 3.4 Freno (aerogeneradores). Dispositivo capaz de reducir la velocidad del rotor o parar el movimiento de rotacin. 3.5 Falla catastrfica (aerogeneradores). Desintegracin o colapso de un componente o estructura, cuyo resultado es la prdida de la funcin vital que deteriora la seguridad. 3.6 Valor caracterstico (de una propiedad del material). Valor que tiene una probabilidad prescrita de no ser alcanzado en una serie de ensayos ilimitada e hipottica. 3.7 Sistema de control (para aerogeneradores). Subsistema que recibe la informacin acerca de la condicin del aerogenerador y/o su entorno y ajusta el generador con el objeto de mantenerlo dentro de lmites de funcionamiento. 3.8 Velocidad de arranque de viento (velocidad de inicio), Vin. La menor velocidad media del viento a la altura del buje en la que el aerogenerador, segn el diseo, empieza a producir energa. 3.9 Velocidad de corte de viento, Vout. La mayor velocidad media del viento a la altura del buje a la cual el aerogenerador esta diseado para producir energa. 3.10 Lmites de diseo. Valores mximos o mnimos utilizados en un diseo. 3.11 Situacin de diseo. Modo posible de funcionamiento del aerogenerador, por ejemplo produciendo energa, parqueado, etctera. 3.12 Velocidad del viento de diseo. Velocidad del viento que se utiliza como entrada para las ecuaciones del diseo sencillo (igual a 1,4 Vave). 3.13 A sotavento. En la direccin dominante del viento. 3.14 Parada de emergencia (aerogeneradores). Parada rpida del aerogenerador provocada por un sistema de proteccin o por una intervencin manual. 3.15 Condiciones ambientales. Caractersticas del medioambiente (altitud, temperatura, humedad, etc.) que pueden afectar al comportamiento del aerogenerador. 3


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3.16 Condiciones externas (aerogeneradores). Factores que afectan al funcionamiento de un aerogenerador que incluyen el rgimen del viento, otros factores climticos (nieve, hielo, etctera.), terremotos y condiciones de la red elctrica. 3.17 Velocidad extrema del viento. Valor promedio ms alto de la velocidad del viento, promediado en t segundos, que probablemente se experimente en un periodo de tiempo especificado (periodo de recurrencia) de T aos.NOTA Periodos de recurrencia de T = 50 aos y T = 1 ao e intervalos de tiempo promediados de t = 3 segundos y t = 10 minutos se usan en varias normas. En lenguaje popular, con frecuencia se utiliza el trmino menos preciso "velocidad de supervivencia del viento". Sin embargo, en la prctica, el sistema aerogenerador se disea usando la velocidad extrema del viento para los casos de la carga de diseo.

3.18 A prueba de fallas. Propiedad en el diseo de un dispositivo que previene las fallas que resulten de las averas crticas. 3.19 Plegado (Furling). Mecanismo pasivo de control del exceso de velocidad mediante la reduccin del rea de barrido proyectada o expuesta. 3.20 Rfaga. Variacin breve y repentina de la velocidad del viento por encima de su valor medio.NOTA Una rfaga puede caracterizarse por su tiempo de ascenso, su magnitud y su duracin.

3.21 Aerogenerador con eje horizontal. Turbina elica cuyo eje de rotor es sustancialmente paralelo al flujo del viento. 3.22 Buje (aerogeneradores). Elemento de unin de las palas o del conjunto de palas con el eje del rotor. 3.23 Altura del buje (aerogeneradores). Altura del centro del rotor del aerogenerador por encima de la superficie del suelo. Para un aerogenerador con eje vertical, la altura del buje es la altura del plano ecuatorial. 3.24 Ralent (aerogeneradores). Condicin de un aerogenerador en rotacin lenta sin produccin de energa. 3.25 Estado lmite. Estado de una estructura y de las cargas que actan sobre ella por encima del cual la estructura no satisface las exigencias de diseo. [ISO 2394, 2.2.9, modificada]NOTA El propsito de los clculos en el diseo (es decir los requisitos de diseo para el estado lmite) es limitar la probabilidad de que un estado lmite pueda alcanzarse por debajo de un cierto valor prescrito para el tipo de estructura considerada (ISO 2394).

3.26 Caso de carga. Combinacin de una situacin de diseo y una condicin externa que da como resultado una aplicacin de carga estructural. 3.27 Ley logartmica de cizallamiento del viento. Ley matemtica que expresa las variaciones en la velocidad del viento como una funcin logartmica de la altura por encima del suelo.

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3.28 Velocidad media del viento. Media estadstica de los valores instantneos de la velocidad del viento, promediados durante un intervalo de tiempo determinado que puede variar desde unos segundos a varios aos. 3.29 Gndola. Alojamiento que contiene la transmisin y otros elementos, en la parte superior de la torre de un aerogenerador de eje horizontal. 3.30 Parada normal (aerogeneradores). Parada en la cual todas las etapas estn bajo la accin del sistema de control. 3.31 Lmites de funcionamiento. Conjunto de condiciones definidas por el diseador del aerogenerador que gobiernan la activacin del sistema de control y proteccin. 3.32 Aerogenerador parqueado. Dependiendo del diseo del aerogenerador, parqueado se refiere al estado de parada o de ralent de la turbina. 3.33 Parqueado. Situacin a la cual vuelve un aerogenerador despus de una parada normal 3.34 Ley exponencial de cizallamiento del viento. Ley matemtica que expresa las variaciones de la velocidad del viento como una ley exponencial en funcin de la altura por encima del suelo. 3.35 Potencia de salida. Potencia suministrada por un dispositivo de una forma especfica y para un propsito especificado.NOTA Para aerogeneradores, sta es la energa elctrica suministrada por un aerogenerador.

3.36 Sistema de proteccin (aerogeneradores). Sistema que garantiza que el sistema del aerogenerador permanezca dentro de los lmites de diseo. 3.37 Distribucin de Rayleigh. Funcin de distribucin de probabilidad que se utiliza con frecuencia para las velocidades del viento. La distribucin depende de un parmetro ajustable el parmetro escalar, el cual controla la velocidad promedio del viento.NOTA La distribucin de Rayleigh es idntica a la distribucin de Weibull (vase 3.55) con parmetro de forma 2.

3.38

Velocidad de referencia del viento, Vref

Parmetro bsico para la velocidad del viento que se utiliza para definir las clases de aerogeneradores pequeos (SWT). Otros parmetros climticos relacionados con el diseo se derivan de la velocidad de referencia del viento y de otros parmetros bsicos de la clase de aerogenerador.NOTA Una turbina diseada para una clase SWT con una velocidad de referencia del viento, Vref, est diseada para soportar climas para los cuales la velocidad extrema promedio del viento de 10 minutos con un periodo de recurrencia de 50 aos a la altura del buje de la turbina es inferior o igual a Vref (vase el numeral 3.17).

3.39 Resonancia. Fenmeno que aparece en un sistema oscilatorio, en el cual el periodo de una oscilacin forzada en muy cercano al de la oscilacin libre. 3.40 Velocidad del rotor (aerogeneradores)

Velocidad rotacional del rotor del aerogenerador alrededor de su eje

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3.41 Longitud de rugosidad. Altura extrapolada en la cual la velocidad media del viento es igual a cero, si se asume que el perfil vertical del viento tiene una variacin logartmica con la altura. 3.42 Vida segura. Vida del servicio prescrita con una probabilidad declarada de falla catastrfica. 3.43 Mantenimiento programado. Mantenimiento preventivo que se realiza de acuerdo con un cronograma establecido. 3.44 Detencin o parada (de aerogeneradores) (Shutdown). Estado transitorio de un aerogenerador entre la produccin de energa y el estado de ralent o parado. 3.45 Parado. Condicin de un sistema aerogenerador inmovilizado. 3.46 Estructura de soporte (aerogeneradores). Parte de un aerogenerador que comprende la torre y la cimentacin. 3.47 Velocidad de supervivencia (no usado). Nombre popular para la velocidad mxima del viento que una construccin est diseada para soportar.NOTA Este trmino no se utiliza en la serie de normas IEC 61400; en lugar de ello, las condiciones de diseo se refieren a la velocidad extrema del viento (vase el numeral 3.17).

3.48 Aerogenerador pequeo, SWT. Sistema con rea de barrido del rotor de 200 m2 o menos que convierte la energa cintica del viento en energa elctrica. 3.49 rea de barrido. rea proyectada perpendicular a la direccin del viento que describir un rotor durante una rotacin completa. 3.50 Intensidad de turbulencia. Relacin entre la desviacin estndar de la velocidad del viento y la velocidad media del viento, determinada a partir del mismo conjunto de muestras de datos medidos de la velocidad del viento, y que se toma durante un periodo especfico de tiempo. 3.51 Estado lmite mximo. Estado lmite que generalmente corresponde a la mxima capacidad de carga soportada. 3.52 Mantenimiento no programado. Mantenimiento que se realiza sin que est de acuerdo con un cronograma establecido, sino despus de recibir una indicacin con respecto al estado de un elemento. 3.53 A barlovento. En la direccin opuesta a la direccin dominante del viento. 3.54 Aerogenerador con eje vertical. Aerogenerador cuyo eje del rotor es vertical. 3.55 Distribucin de Weilbull. Funcin de distribucin de probabilidad que se usa con frecuencia para las velocidades del viento. Esta funcin de distribucin depende de dos parmetros, el parmetro de la forma que controla el ancho de la distribucin y el parmetro escalar que a su vez controla la velocidad promedio del viento.NOTA Vase 3.60, distribucin de la velocidad del viento.

3.56 Perfil del viento - ley de cizallamiento del viento. Expresin matemtica para una variacin supuesta de la velocidad del viento a una altura sobre el suelo. 6

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Los perfiles comnmente utilizados son el perfil logartmico (ecuacin 1) o el perfil exponencial (ecuacin 2).V ( z ) = V ( zr ) .

ln ( z / z o ) ln ( z r / z o )

(1)

z V ( z ) = V ( zr ) . z r

(2)

en donde V(z) z zr Zo es la velocidad del viento a la altura z; es la altura sobre el suelo; es una altura de referencia por encima del suelo utilizada para ajustar el perfil; es la longitud de rugosidad; es el exponente (o potencia elevada) de cizallamiento del viento.

3.57 Cizallamiento del viento. Variacin de la velocidad del viento en el plano perpendicular a la direccin del viento. 3.58 Exponente de cizallamiento del viento. Tambin usualmente conocido como exponente de la ley exponencial (vase 3.56, perfil del viento - ley de cizallamiento del viento). 3.59 Velocidad del viento. En un punto especificado del espacio, es la velocidad de desplazamiento de una minscula porcin de aire que rodea a dicho punto.NOTA La velocidad del viento tambin es la magnitud de la rapidez del viento local (vector) (vase el numeral 3.61).

3.60 Distribucin de las velocidades del viento. Funcin de distribucin de probabilidad, utilizada para describir la distribucin de las velocidades del viento sobre un intervalo de tiempo prolongado.NOTA Las funciones de distribucin usuales son las leyes de Rayleigh PR(Vo) y de Weibull Pw{Vo).PR{V < Vo } = 1exp (Vo / 2Vave )2 PW { < Vo } = 1exp (Vo / C ) V

[

](3)

[

k

]

avec V ave

1 C(1 + k ) = C / 2, si k = 2

(4)

en donde P (Vo)) es la funcin de probabilidad acumulada, es decir, la probabilidad de que V < Vo; Vo Vave C es la velocidad del viento (lmite); es el valor promedio de V; es el parmetro de escala de la funcin de Weibull;

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es el parmetro de forma de la funcin de Weibull; es la funcin gamma.

Ambos valores C y k pueden evaluarse a partir de datos reales. La funcin de Rayleigh es idntica a la funcin de Weibull si se elige k = 2 y los valores de C y Vave satisfacen la condicin establecida en la ecuacin (4) para k = 2. Las funciones de distribucin expresan la probabilidad acumulada de que la velocidad del viento sea menor que Vo. As, [P(V1) - P(V2)] si se evala entre los lmites especificados de V1 y V2, indicar la fraccin de tiempo en que la velocidad del viento se encuentra entre esos lmites. Derivando las funciones de distribucin se obtienen las correspondientes funciones de densidad de probabilidad.

3.61

Vector de velocidad del viento

Vector que indica la direccin del movimiento de una cantidad minscula de aire alrededor del punto en consideracin, la magnitud del vector es igual a la velocidad del movimiento de esta porcin de aire (es decir la velocidad del viento local).NOTA De este modo, el vector en cualquier punto es la derivada del tiempo del vector de posicin de la "porcin" de aire que se mueve en dicho punto.

3.62 Orientacin. Rotacin de eje del rotor alrededor de un eje vertical (nicamente para aerogeneradores de eje horizontal). 3.63 Rata de orientacin. Rata de cambio del ngulo de orientacin con respecto al tiempo. 3.64 Desviacin de la orientacin. Desviacin horizontal de eje del rotor del aerogenerador con relacin a la direccin del viento.

4. 4.1 A Aproj

SMBOLOS Y ABREVIATURAS SMBOLOS rea de seccin transversal rea componente proyectada sobre un plano perpendicular o paralela a la direccin del viento pendiente para el modelo de desviacin estndar de la turbulencia cantidad de palas parmetro escalar de la funcin de distribucin de Weibull coeficiente de arrastre coeficiente de fuerza coeficiente de elevacin coeficiente de empuje 8 [m2] [m2] [-] [-] [m/s] [-] [-] [-] [-]

a

B C Cd Cf Cl Ct

NORMA TCNICA COLOMBIANACoh D er F FzB funcin de coherencia dimetro del rotor

NTC 5725[-] [m]

distancia desde el centro de gravedad del rotor hasta el eje de rotacin [m] fuerza fuerza sobre la base de la pala, en direccin a lo largo de la pala [N] [N] [N] [s-1] [-]

Fx-shaft carga axial en el eje k G frecuencia valor caracterstico para la resistencia del material

relacin entre el par de torsin nominal y el par de torsin de cortocircuito para un generador [-] aceleracin debida a la gravedad: 9,81 momento de inercia de la masa de la pala alrededor del eje del flap* en la base de la pala * componente de sustentacin de la pala [m/s2] [kgm2]

g lB

l15 k K L Llt Lrt Lrb Lc Lk

valor caracterstico de la intensidad de turbulencia a la altura del buje para una velocidad promedio de 15 m/s durante 10 min. parmetro de forma de la funcin de distribucin de Weibull funcin modificada de Bessel parmetro escalar integral de la turbulencia isotrpica distancia entre el punto de elevacin y la punta de la torre distancia entre el centro del rotor y el eje de orientacin distancia entre el centro del rotor y el primer cojinete parmetro escalar de coherencia parmetro escalar integral de la componente de la velocidad

[-] [-] [-] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [Nm] [Nm] [Nm]

MxB, MyB momentos de flexin de la base de la pala Mbrake par de torsin en el eje de baja velocidad producido por el freno Mx-shaft momento de torsin del eje del rotor en el primer cojinete

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NTC 5725[Nm]

Mshaft momento de flexin combinado para el eje en el primer cojinete (ms prximo al rotor) Mtower momento de flexin en la torre en el dispositivo del punto de elevacin mB masa de la pala

[Nm] [kg] [kg]

moverhang masa de la torre entre el punto de elevacin y la punta de la torre mr masa del rotor que equivale a la masa de las palas ms la masa del buje

[kg] [kg]

mtowertop masa de la gndola y el rotor combinadas N(.) es el nmero de ciclos hasta la falla en funcin del esfuerzo (o la deformacin) indicada por un argumento (es decir, la curva caracterstica S-N) periodo de recurrencia para situaciones extremas velocidad del rotor nmero contado de ciclos de fatiga en el intervalo de carga i fraccin de tiempo operativo potencia elctrica

[-] [aos] [r.p.m] [-] [%] [W]

N n ni O P

PR(Vo) distribucin de probabilidad acumulativa de Rayleigh, es decir, la probabilidad de que V < Vo Pw(Vo) distribucin de probabilidad acumulativa de Weibull p Q R Rcog probabilidad de supervivencia par de torsin del rotor radio del rotor distancia radial entre el centro de gravedad de una pala y el centro del rotor magnitud de la proyeccin del vector de separacin funcin de densidad de la potencia espectral espectro de la componente de la velocidad en un solo lado nivel de esfuerzo (o deformacin) asociado con el nmero de ciclos en el intervalo i tiempo caracterstico de la rfaga tiempo 10

[-] [-] [-] [Nm] [m] [m] [m] [m2/s] [m2/s]

r Sl(f) Sk si

[-] [s] [s]

T t

NORMA TCNICA COLOMBIANATd TE TN TT TU V V(z) Vave Vcg vida til de diseo tiempo excludo

NTC 5725[s] [h] [h] [h] [h] [m/s] [m/s] [m/s]

tiempo durante el cual la turbina no est funcionando tiempo total transcurrido en el ensayo de duracin tiempo desconocido velocidad del viento velocidad del viento a la altura z velocidad del viento promedio anual a la altura del buje magnitud coherente extrema de rfaga en el rea completa de barrido del rotor

[m/s] [m/s]

Vdesign velocidad del viento de diseo VeN velocidad extrema esperada del viento (promediada en 3 s), con un intervalo de tiempo de recurrencia de N aos. Ve1 y Ve50 para 1 ao y 50 aos respectivamente

[m/s]

VgustN magnitud mayor de rfaga con un periodo de recurrencia esperado de N aos Vhub Vin velocidad del viento a la altura del buje promediada durante 10 min velocidad de arranque de viento

[m/s] [m/s] [m/s]

Vmx,shutdown velocidad mxima del viento en la cual el fabricante permite una parada normal Vo Vout Vref Vtip V(z,t) velocidad lmite del viento en el modelo de distribucin de velocidad del viento velocidad de corte del viento velocidad de referencia del viento promediada durante 10 min velocidad en la punta de la pala componente longitudinal de la velocidad del viento para describir la variacin transitoria en condiciones extremas de rfaga y cizallamiento mdulo de seccin usado en los clculos de esfuerzo sistema cartesiano utilizado para la descripcin del campo de vientos; viento delantero (longitudinal), viento oblicuo (lateral) y altura respectivamente 11

[m/s]

[m/s] [m/s] [m/s] [m/s]

[m/s] [m3]

W x,y,z

[m]

NORMA TCNICA COLOMBIANAZhub zr zo f altura del buje del aerogenerador altura de referencia sobre el suelo

NTC 5725[m] [m] [m] [-]

longitud de rugosidad para el perfil logartmico del viento exponente de la ley exponencial de cizallamiento del viento parmetro para el modelo de cambio de direccin extremo y el modelo de rfaga de operacin extremo funcin gamma factor de seguridad parcial para las cargas factor de seguridad parcial para los materiales rango cambio transitorio de la direccin del viento ngulo de la desviacin mxima de la direccin de la velocidad promedio del viento en condiciones de rfaga cambio de direccin extremo con un periodo de recurrencia de N aos eficiencia de los componentes entre la salida elctrica y el rotor (por lo general el generador, la caja multiplicadora y el sistema de conversin) parmetro escalar de la turbulencia definido como la longitud de onda en que la densidad espectral de potencia longitudinal; 2 adimensional, fS1(f)/ 1 , es igual a 0,05 relacin de la velocidad en la punta densidad del aire, se asume aqu como 1,225 desviacin estndar de la velocidad longitudinal del viento a la altura del buje desviacin estndar de la velocidad vertical del viento a la altura del buje desviacin estndar de la velocidad lateral del viento a la altura del buje esfuerzo de diseo desviacin estndar de la velocidad del viento del componente k-simo a la altura del buje (K = 1, 2 o 3) velocidad rotacional del rotor 12

[-] [-] [-] [-] [-] []

m (t) cg eN

[] []

[-]

1

[m] [-] [kg/m3]

1

[m/s]

2 3 d kn

[m/s]

[m/s] [MPa]

[m/s] [rad/s]

NORMA TCNICA COLOMBIANAyaw rata de orientacin

NTC 5725[rad/s]

Subndices: Ave B promedio pala

design parmetro de entrada para las ecuaciones simplificadas de diseo e50 hub max r shaft x y z una vez para cada extremo de 50 aos (promediado durante 3 s) buje mximo rotor eje en la direccin x en la direccin y en la direccin z

Abreviaturas: c.a. c.c. DLC ECD corriente alterna corriente continua Caso de carga de diseo (Design Load Case) Rfaga extrema coherente con cambio de direccin (Extreme Coherent Gust with Direction Change) Rfaga extrema coherente (Extreme Coherent Gust) Cambio extremo de direccin del viento (Extreme Wind Direction Change) Compatibilidad electromagntica (Electromagnetic Compatibility) Rfaga extrema en funcionamiento (Extreme Operating Gust)

ECG EDC EMC EOG

EWM Modelo de velocidad del viento extrema (Extreme Wind Speed Model) F Fatiga

GFCI Interruptor de corriente de falla a tierra (Ground Fault Circuit Interruptor) HAWT Aerogenerador con eje horizontal (Horizontal Axis Wind Turbine) NWP Modelo de perfil de viento normal (Normal Wind Profile Model) 13

NORMA TCNICA COLOMBIANANTM S SWT U 4.2

NTC 5725

Modelo de turbulencia normal (Normal Turbulence Model) Clase especial IEC de aerogenerador Aerogenerador pequeo (Small Wind Turbine) Lmite de ruptura (Ultimate) SISTEMA CARTESIANO

Para definir las direcciones de las cargas, se usa el sistema de ejes que se ilustra en la Figura 1.

5. 5.1

ELEMENTOS PRINCIPALES GENERALIDADES

En los captulos siguientes se dan los requisitos tcnicos y de ingeniera para garantizar la seguridad de los sistemas estructural, mecnico, elctrico y de control de los aerogeneradores. Esta especificacin de los requisitos se aplica en el diseo, la fabricacin, la instalacin y el mantenimiento del aerogenerador y en el proceso de gestin de la calidad asociado. El Anexo A proporciona gua sobre la forma en que esta norma se puede usar en la certificacin tipo de aerogeneradores pequeos.

14


NTC 5725

zPala yPala x Pala

zEje yEje x Eje

z y x

Torre X es positivo en la direccin a sotavento, z apunta hacia arriba, y completa el sistema de coordenadas a la derecha. El sistema de la torre es fijo. Eje El eje en direccin x es tal que un momento positivo alrededor del eje x acta en la direccin rotacional. El eje en direcciones y y z no se usan, slo se usa el momento combinado. El sistema de ejes (direccin) del eje gira con la gndola. Pala La pala en direccin x es tal que un momento positivo alrededor del eje x acta en la direccin rotacional. La pala en direccin y es tal que un momento positivo acta para doblar la punta de la pala a sotavento. La pala en direccin z es positiva hacia la punta de la pala. Observe que el sistema de coordenadas de la pala cumple la convencin hacia la derecha para un rotor que gira en el sentido de las manecillas del reloj y la convencin hacia la izquierda para un rotor que gira en el sentido contrario a las manecillas del reloj, cuando se observa desde un sitio a barlovento. El sistema de ejes de la pala rota con el rotor. Figura 1. Definicin del sistema de ejes para HAWT

15

NORMA TCNICA COLOMBIANA5.2 MTODOS DE DISEO

NTC 5725

El mtodo de diseo para las turbinas tratadas en esta norma se describe en la Figura 2. Se permite un mtodo simplificado para una variedad de configuraciones de la turbina. Para las turbinas con un rea de barrido del rotor inferior a 2 m2, la torre no se considera parte del diseo. Los datos primarios de la turbina se miden en un "ensayo de datos de diseo" (vase el numeral 9.2) despus del cual se deben obtener los valores de cargas predichas de diseo en una de las siguientes tres maneras o en una combinacin de ellas: Para algunas configuraciones de turbina, se suministra un mtodo de clculos simplificado. En la Seccin 7.4 se suministra un conjunto limitado de casos de cargas con frmulas sencillas y condiciones externas simplificadas. Usar un modelo dinmico estructural en combinacin con el ensayo de los datos de diseo y mediciones limitadas de cargas a plena escala para verificar el modelo. Este modelo se debe utilizar para determinar las cargas en un rango de velocidades del viento, utilizando las condiciones de turbulencia y otras condiciones extremas del viento que se definen en el numeral 6.3, y situaciones de diseo que se definen en el numeral 7.5. Se deben analizar todas las combinaciones pertinentes de condiciones externas y situaciones de diseo. Un conjunto mnimo de dichas combinaciones se ha definido como casos de carga en esta norma. Mediciones de carga a plena escala con extrapolacin de la carga.

Cada uno de estos mtodos tiene incertidumbre diferente. Por lo tanto, se pueden aplicar diferentes grupos de factores de seguridad dependiendo del mtodo de estimacin de la carga que se utilice (vase el numeral 7.8). Para todas las turbinas, se requiere un ensayo esttico de la pala (vase el numeral 9.5). Para verificar la idoneidad de otros componentes que soportan cargas se requiere clculo o ensayo. Las condiciones de ensayo deben reflejar las cargas de diseo incluyendo los factores de seguridad pertinentes. Finalmente, para todas las turbinas, se requiere de ensayo de seguridad y funcin (vase el numeral 9.6) y ensayo de duracin (vase el numeral 9.4). 5.3 ASEGURAMIENTO DE LA CALIDAD

El aseguramiento de la calidad debe ser una parte integral del diseo, la adquisicin, la construccin, la instalacin, el funcionamiento y el mantenimiento de los aerogeneradores y de todos sus componentes. Se recomienda que el sistema de calidad, cumpla con los requisitos de la serie ISO 9000.

16


NTC 5725

SWT con tensin < 1000 V c.a. o 1500 V c.c.

rea < 200 m?

No

Se debe usar IEC 61400-1

Si

rea < 2 m?

Si

No es necesario incluir sistema de soporte

No Ensayo de datos de diseo (9.2)

Cargas de diseo determinadas mediante ecuaciones sencillas (7.4) o mediciones de cargas con (7.5) o extrapolaciones (7.6)

Se requiere ensayo esttico de la pala (9.5.2) ensayo o anlisis de otro componente (9.5)

Diseo del sistema elctrico

Condiciones externas extremas?

Si

Ensayo ambiental

No Ensayo de duracin (9.4) Ensayo de seguridad y funcin del sistema (9.6)

Figura 2. Ruta de decisin segn IEC 61400-2

17

NORMA TCNICA COLOMBIANA6. 6.1 CONDICIONES EXTERNAS GENERALIDADES

NTC 5725

Los aerogeneradores pequeos (SWT) estn sujetos a condiciones ambientales y elctricas que pueden afectar a su carga, durabilidad y funcionamiento. Para asegurar el nivel adecuado de seguridad y confiabilidad, deben tenerse en cuenta los parmetros ambientales, elctricos y relativos al suelo en el diseo y deben indicarse de forma explcita en la documentacin del diseo. Las condiciones ambientales estn divididas adems en condiciones de viento y otras condiciones ambientales. Las condiciones elctricas se refieren a las condiciones de la red elctrica o a las condiciones elctricas locales como es el caso de bateras, sistemas hbridos o red local. Las propiedades relativas al suelo son importantes para la construccin de la cimentacin del aerogenerador. Las condiciones de viento son la primera consideracin externa que afecta la integridad estructural. Otras condiciones ambientales tambin afectan a las caractersticas de diseo tales como la funcin del sistema de control, la durabilidad, la corrosin, etc. Las condiciones externas se subdividen en las categoras normal y extrema. Por lo general, las condiciones externas normales conciernen a las condiciones de la carga estructural a largo plazo y las condiciones de funcionamiento, mientras que las condiciones externas extremas representan las condiciones externas de diseo poco comunes, pero potencialmente crticas. Los casos de diseo de cargas deben consistir en una combinacin de estas condiciones externas con los modos de funcionamiento del aerogenerador. 6.2 CLASES DE AEROGENERADORES PEQUEOS (SWT)

Las condiciones externas a considerar en el diseo dependen del tipo de emplazamiento o sitio previsto para la instalacin de los aerogeneradores. Las clases de los aerogeneradores pequeos se definen en funcin de los parmetros de la velocidad del viento y de la turbulencia. El propsito de las clases es cubrir la mayora de las aplicaciones. Los valores de los parmetros de velocidad del viento y de turbulencia se emplean para representar los valores caractersticos de muchos emplazamientos diferentes, sin dar una caracterstica precisa de ningn emplazamiento especfico. La meta es lograr una clasificacin de aerogeneradores pequeos con una robustez claramente variable regulada por el viento. En la Tabla 1 se especifican los parmetros bsicos que definen las clases de aerogeneradores pequeos. En los casos en que es necesario un diseo especial (por ejemplo para condiciones especiales del viento, otras condiciones externas o una clase de seguridad especial), se define una clase adicional de aerogenerador, clase S. Los valores de diseo para la clase S de los aerogeneradores pequeos deben ser seleccionados por el diseador y deben especificarse en la documentacin del diseo. Para esas clases especiales, los valores seleccionados para las condiciones de diseo deben reflejar un entorno ms severo que el previsto para la utilizacin del aerogenerador pequeo. Las condiciones externas particulares definidas para las Clases l, II, III y IV no estn pensadas para cubrir las instalaciones marinas ("Offshore") ni las condiciones de viento experimentadas en tormentas tropicales como huracanes, ciclones y tifones. Esas condiciones pueden requerir un diseo de aerogeneradores de Clase S.

18


NTC 5725

Tabla 1. Parmetros bsicos para las clases de aerogeneradores Clases de aerogeneradores Vref Vave (m/s) I 50 II 42,5 III 37,5 7,5 IV 30 Valores especificados por el diseador S

(m/s) 10 8,5 6 0,18 0,18 0,18 0,18 I15 (-) 2 a 2 2 2 en donde los valores de los parmetros se aplican a la altura del buje, y -

I15 es el valor de la caracterstica adimensional de la intensidad de la turbulencia a 15 m/s. a es el parmetro de pendiente adimensional a usar en la ecuacin (7).

Adems de estos parmetros bsicos, se requieren otros parmetros importantes para especificar completamente las condiciones externas empleadas en el diseo de los aerogeneradores pequeos. En el caso de los aerogeneradores de las Clases l a lV, referidas ms adelante como clases SWT normalizadas, los valores de estos parmetros adicionales se especifican en los numerales 6.3, 6.4 y 6.5. Las abreviaturas aadidas entre parntesis en los encabezados de los apartados restantes de este captulo se utilizan para describir las condiciones del viento para los casos de carga de diseo definidas en el numeral 7.5. (Observe que para los clculos sencillos de la carga, las condiciones del viento tambin se simplifican). Para los aerogeneradores de Clase S el fabricante debe describir en la documentacin del diseo los modelos utilizados y los valores de los parmetros de diseo. Cuando se adoptan los modelos de esta seccin, ser suficiente el informe de los valores de los parmetros. La documentacin del diseo de los aerogeneradores de la clase S debe contener la informacin listada en el Anexo B. La vida til de diseo se debe especificar con claridad en la documentacin del diseo. 6.3 6.3.1 CONDICIONES DEL VIENTO Generalidades

Un aerogenerador pequeo debe disearse para soportar con seguridad las condiciones del viento definidas por la clase seleccionada de aerogeneradores. Los valores de diseo de las condiciones del viento deben especificarse claramente en la documentacin del diseo. El rgimen del viento para las consideraciones de carga y de seguridad se divide en condiciones normales del viento que ocurren frecuentemente durante el funcionamiento normal de los aerogeneradores, y en condiciones extremas del viento que se definen como aquellas con un periodo de recurrencia de 1 ao o de 50 aos. En cualquier caso, debe considerarse la influencia de una inclinacin del flujo medio con respecto a un plano horizontal de hasta 8. Se debe suponer que el ngulo de inclinacin del flujo es invariable con la altura.NOTA El influjo oblicuo puede tener un efecto de plegado si la direccin de plegado no se escoge correctamente con respecto a la direccin rotacional del rotor.

19

NORMA TCNICA COLOMBIANA6.3.2 Condiciones normales de viento

NTC 5725

6.3.2.1 Distribucin de la velocidad del viento La distribucin de la velocidad del viento en el emplazamiento es importante para el diseo de los aerogeneradores pequeos porque determina la frecuencia de incidencia de las condiciones de carga individuales. En el caso de las clases de aerogeneradores normalizados, se debe asumir que el valor medio de la velocidad del viento en un periodo de tiempo de 10 minutos sigue una distribucin de Rayleigh para propsitos de clculo de la carga de diseo. En este caso, la distribucin de probabilidad acumulativa a la altura del buje est dada por:PR (Vhub ) = 1 exp (Vhub / 2Vave )2

[

]

(5)

6.3.2.2 Modelo normal del perfil del viento (NWP Normal Wind Profile Model) El perfil del viento, V(z), indica el promedio de la velocidad del viento en funcin de la altura z sobre el suelo. En el caso de las clases normalizadas de aerogeneradores pequeos, el modelo del perfil normal del viento viene dado por la ley exponencial:V ( z ) =Vhub

( z / zhub )

(6)

Se debe asumir que el exponente de la ley exponencial es 0,2. El perfil supuesto del viento se utiliza para definir el cizallamiento promedio vertical del viento a travs del rea barrida por el rotor. 6.3.2.3 Modelo de turbulencia normal (NTM - Normal Turbulance Model) El modelo de turbulencia normal debe incluir un cizallamiento del viento como el descrito en NWP. La expresin turbulencia del viento indica variaciones estocsticas en la velocidad del viento con respecto al promedio de 10 min. El modelo de turbulencia debe incluir los efectos de la velocidad variable del viento, la direccin variable y el muestreo rotacional. Para las clases de aerogeneradores pequeos normalizados, las densidades espectrales exponenciales del campo del vector de velocidad del viento aleatoria, se use o no explcitamente en el modelo, debe cumplir los siguientes requisitos: a) El valor caracterstico de la desviacin estndar del componente de velocidad longitudinal del viento debe estar dada por2):1 = I15 (15 + aVhub ) /( a + 1)(7)

Los valores para I15 se presentan en la Tabla 1. Los valores caractersticos para la desviacin estndar, 1, y la intensidad de la turbulencia, 1 / Vhub, se muestran en la Figura 3.

2)

Para hacer los clculos de los casos de carga adems de aquellos que se especifican en la Tabla 4, puede ser conveniente usar diferentes valores de percentil. Tales valores de percentil se deben determinar adicionando un valor a la ecuacin 7 dada por: 1 = 2( x 1) I15

Donde x se determina a partir de la funcin de distribucin de probabilidad normal. Por ejemplo, x = 1,64 para un valor de percentil de 95.

20


NTC 5725

6 5 4 3 2 1 0 0 10 20 30 Velocidad del viento Vhub m/s 40Desviacin estndar 1 /Vhub%

45 % 40 %

Desviacin estndar 1 m/s

35 % 30 % 25 % 20 % 15 % 10 % 5% 0% 0 10 20 30 Velocidad del viento Vhub m/s 40

Figura 3. Turbulencia caracterstica del viento

b)

Hacia el extremo de alta frecuencia del subrango de inercia, la densidad espectral exponencial del componente longitudinal de la turbulencia, S1(), debe aproximarse de manera asinttica a la forma:S1 ( f ) = 0,05 ( 1 )2 ( 1 / Vhub ) 2 / 3 f 5 / 3

(8)

El parmetro escalar de turbulencia, 1, debe estar dado por:0,7 zhub para zhub < 30 m 1 = para zhub 30 m 21 m (9)

En el Anexo C se suministra especificaciones para modelos de turbulencia estocsticos que cumplen estos requisitos. En el Anexo D se presenta un modelo determinstico simplificado que se basa en una descripcin estocstica de la turbulencia. Este modelo determinstico se puede usar cuando se puede demostrar que la respuesta de la pala de la turbina a la velocidad del viento muestreada rotativamente se amortigua con suficiencia. En el Anexo D tambin se suministra gua para esta validacin. 6.3.3 Condiciones extremas del viento

6.3.3.1 Generalidades Las condiciones extremas del viento se usan para determinar las cargas extremas del viento sobre el aerogenerador pequeo. Estas condiciones incluyen las velocidades pico del viento debido a tormentas y cambios rpidos en la velocidad y direccin del viento. Estas condiciones extremas incluyen los efectos potenciales de la turbulencia del viento de modo que slo es necesario considerar los efectos determinsticos en los clculos de diseo. 6.3.3.2 Modelo de velocidad extrema del viento (EWM Extreme Wind Speed Model) La velocidad extrema del viento, Ve50, con un periodo de recurrencia de 50 aos, y la velocidad extrema del viento, Ve1, con un periodo de recurrencia de 1 ao, deben basarse en la velocidad de referencia del viento, Vref. Para diseos de aerogeneradores en las clases normalizadas, Ve50 y Ve1 se deben calcular con las siguientes ecuaciones: 21


NTC 5725(10) (11)

Ve50 ( z ) = 1,4Vref ( z / zhub )0,11Ve1 = 0,75Ve 50

en donde zhub es la altura del buje.

Se deben asumir desviaciones a corto plazo con respecto a la direccin media del viento de 15. 6.3.3.3 Rfaga extrema en funcionamiento (EOG Extreme Operating Gust) La rfaga a la altura del buje de valor VgusN para un periodo de recurrencia de N aos debe estar dada para las clases normalizadas de aerogeneradores pequeos por la siguiente relacin: 1 = D 1 + 0,1 1

VguatN

(12)

en donde

1 1D

es la desviacin estndar, segn la ecuacin (7); es el parmetro escalar de la turbulencia, conforme a la ecuacin (9); es el dimetro del rotor; = 4,8 para N = 1; = 6,4 para N = 50.

La velocidad del viento se debe definir por un periodo de recurrencia de N aos segn la ecuacin:V ( z ) 0,37 VgustN sen ( 3t / T ) (1 cos( 2t / T )) para 0 t T V (t ) = V ( z ) para t < 0 y t > T

(13)

en donde V(z) T T se define en la ecuacin (6); = = 10,5 s para N = 1; y 14,0 s para N = 50.

En la Figura 4 se ilustra un ejemplo de la rfaga extrema en funcionamiento con un periodo de recurrencia de un ao y Vhub = 25 m/s.

22

NORMA TCNICA COLOMBIANA40 EOG, Velocidad del viento Vhub m/s

NTC 5725

35

30

25

20

15 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 Tiempo t s 7 8 9 10 11 12

Figura 4. Ejemplo de rfaga extrema en funcionamiento (N = 1, Vhub = 25 m/s)

Se seleccionaron valores de parmetros para ambos periodos de recurrencia que dieran la misma tasa de ascenso mxima. 6.3.3.4 Cambio extremo de direccin (EDC) La magnitud del cambio extremo de direccin, e, para un periodo de recurrencia de N aos debe calcularse utilizando la siguiente relacin: 1 eN (t ) = arctan V hub 1 + 0,1 D 1

(14)

en donde

eN 1D

se limita al intervalo de 180; es el parmetro escalar de la turbulencia, conforme a la ecuacin (9); es el dimetro del rotor; = 4,8 para N = 1; = 6,4 para N = 50.

El cambio transitorio de la direccin extrema para un periodo de recurrencia de N aos, N(t), viene dado por:0 N (t ) = 0,5 eN (1 cos (t / T )) eN para t < 0 para 0 t T para t > T

(15)

en donde T = 6 s, es la duracin del cambio transitorio de direccin extrema. El signo debe seleccionarse de modo que se produzca la peor carga transitoria. Al final del cambio transitorio de direccin se supone que la direccin permanece invariable.

23


NTC 5725

En las Figuras 5 y 6 se ilustra un ejemplo del cambio de direccin extrema con un periodo de recurrencia de 50 aos y Vhub = 25 m/s.

180,0 135,0 Magnitud ECD eN () 90,0 45,0 0,0 -45,0 -90,0 -135,0 -180,0 0 10 20 30 40 Velocidad del viento V hub m/s

Figura 5. Ejemplo de cambio de direccin extrema del viento en magnitud (N = 50, D = 5 m, zhub = 20 m)Direccin transitoria del viento ECD N (t) () 60 50 40 30 20 10 0 0 2 4 6 Tiempo s 8 10

Figura 6. Ejemplo de cambio de direccin extrema del viento (N = 50, Vhub = 25 m/s)

6.3.3.5 Rfaga coherente extrema (ECG - Extreme Coherent Gust) Para diseos de aerogeneradores pequeos de las clases normalizadas, se debe asumir un rfaga coherente extrema con una magnitud de Vcg = 15 m/s. La velocidad del viento se debe definir con las siguientes relaciones:

24


NTC 5725

V ( z ) para t < 0 V ( z, t ) = V ( z ) + 0,5 Vcg (1 cos (t / T )) para 0 t T para t T V ( z ) + Vcg en donde T =

(16)

10 s es el tiempo de ascenso. Se debe usar el modelo de perfil de viento normal con velocidad del viento como la que se especifica en la ecuacin (6). En la Figura 7 se ilustra la rfaga coherente extrema para Vhub = 25 m/s.

50 Velocidad del viento V(t) m/s 40 30 20 10 0 -2 0 2 4 6 Tiempo s 8 10 12 14

Figura 7. Rfaga coherente extrema (Vhub = 25 m/s) (ECG)

6.3.3.6 Rfaga coherente extrema con cambio de direccin (ECD) En este caso, se debe asumir que el ascenso de la velocidad del viento (descrita por ECG, vase Figura 7) ocurre simultneamente con el cambio de direccin, cg, donde cg se define con las siguientes relaciones:180 720 cg (Vhub ) = Vhub para Vhub < 4 m / s para 4 m / s Vhub Vref (17)

El cambio de direccin, cg, en funcin de Vhub y en funcin del tiempo para Vhub = 25 m/s se ilustran en las Figuras 8 y 9 respectivamente.

25

NORMA TCNICA COLOMBIANA200 Cambio de direccin cg ()

NTC 5725

150

100

50

0 0 10 20 30 Velocidad del viento Vhub m/s 40

Figura 8. Cambio de direccin para ECD35 Direccin transitoria del viento EDC (t) () 30 25 20 15 10 5 0 0 2 4 6 8 Tiempo s 10 12 14

Figura 9. Desarrollo del tiempo del cambio de direccin para Vhub = 25 m/s

El cambio de direccin simultnea viene entonces dado por: 0 (t ) = 0,5 cg (1 cos (t / T )) cg

para t 0 para 0 t T para t T

(18)

6.4 6.4.1

OTRAS CONDICIONES AMBIENTALES Generalidades

Otras condiciones ambientales (climticas) aparte del viento pueden afectar la integridad y la seguridad del aerogenerador, por la accin trmica, fotoqumica, corrosiva, mecnica, elctrica u otras acciones fsicas. Adems, las combinaciones de los parmetros climticos dados pueden incrementar su efecto.

26


NTC 5725

Deben tomarse en consideracin al menos las siguientes condiciones ambientales, declarndose en la documentacin del diseo la accin resultante: temperatura; humedad; densidad de aire; radiacin solar; lluvia, granizo, nieve y hielo; substancias qumicamente activas; partculas mecnicamente activas; descargas atmosfricas; terremotos; y ambiente marino - corrosin.

Un entorno marino requiere consideracin adicional. Las condiciones climticas para el diseo se deben definir en trminos de valores representativos o por los lmites de las condiciones variables. La probabilidad de la incidencia simultnea de las condiciones climticas debe tenerse en cuenta cuando se seleccionan los valores de diseo. Las variaciones en las condiciones climticas dentro de los lmites normales que corresponden a un periodo de recurrencia de un ao no deben interferir en el funcionamiento normal proyectado de un aerogenerador pequeo. Salvo que exista una correlacin, se deben combinar las otras condiciones ambientales externas segn el numeral 6.4.3 con las condiciones normales del viento conforme al numeral 6.3.2. 6.4.2 Otras condiciones ambientales normales

Los otros valores de las condiciones ambientales normales que deben tomarse en cuenta son. rango de temperatura ambiente de funcionamiento normal del sistema de -10 C a + 40 C; humedad relativa hasta un 95 %; contenido atmosfrico equivalente al de una atmsfera tierra adentro no contaminada (vase la norma lEC 60721-2-1); intensidad de la radiacin solar de 1 000 W/m2; y densidad de aire de 1,225 kg/m3.

-

Cuando el diseador especifica los parmetros de las condiciones externas adicionales, estos parmetros y sus valores deben enunciarse en la documentacin del diseo y deben estar en conformidad con los requisitos de la norma lEC 60721-2-1.

27

NORMA TCNICA COLOMBIANA6.4.3

NTC 5725

Otras condiciones ambientales extremas

6.4.3.1 Generalidades Otras condiciones ambientales extremas que deben considerarse para el diseo de los aerogeneradores son la temperatura, las descargas atmosfricas, el hielo y los terremotos. 6.4.3.2 Temperatura Los valores de diseo para el rango de temperaturas extremas para las clases normalizadas de aerogeneradores pequeos deben ser al menos de -20 C hasta +50 C. 6.4.3.3 Descargas atmosfricas Las disposiciones para la proteccin contra las descargas atmosfricas que se exigen en el numeral 10.5 pueden considerarse como las adecuadas para aerogeneradores pequeos de las clases normalizadas. 6.4.3.4 Hielo No se dan requisitos mnimos para el hielo para las clases normalizadas de aerogeneradores pequeos. En caso de que el fabricante quiera incluir la carga del hielo en su estimacin de la carga de diseo, se recomienda una capa con 30 mm mnimo de hielo con una densidad de 900 kg/m3 en todas las reas expuestas. Esta carga de hielo esttica se combina entonces con las cargas de arrastre en el sistema de turbina parqueado en 3 Vave. Las cargas del hielo en la estructura de soporte que incluye los alambres de retencin deberan considerarse en las cargas de diseo de la estructura de soporte. 6.4.3.5 Terremotos No se dan requisitos mnimos para los terremotos para las clases normalizadas de aerogeneradores pequeos . 6.5 6.5.1 CONDICIONES DE CARGA ELCTRICA Generalidades

Las condiciones elctricas que se deben considerar en el diseo dependen de la aplicacin de la turbina. 6.5.2 Turbinas conectadas a la red de energa elctrica

6.5.2.1 Condiciones elctricas normales Las condiciones normales en los bornes de los aerogeneradores a considerar en el diseo se indican a continuacin. Las condiciones elctricas normales de la red se aplican cuando los parmetros siguientes estn dentro de los rangos establecidos a continuacin. Tensin - valor nominal (conforme a la norma IEC 60038) 10 %. Frecuencia - valor nominal 2 %. 28

NORMA TCNICA COLOMBIANA-

NTC 5725

Desbalance de tensin: la proporcin de la componente de secuencia negativa de la tensin con respecto a la componente de secuencia positiva no exceder el 2 %. Ciclos de autoreconexin: periodos del ciclo de autoreconexin de 0,2 s a 5,0 s para la primera reconexin y de 10 s a 90 s para la segunda. Interrupciones del suministro de la red: se asume que las interrupciones de suministro de la red ocurren 20 veces por ao. Una interrupcin del suministro de hasta 24 h debe considerarse una condicin normal.

-

-

6.5.2.2 Condiciones elctricas extremas Es necesario considerar en el diseo por lo menos las siguientes condiciones elctricas extremas de la red de energa en los bornes del aerogenerador: Tensin - desviaciones con respecto al valor nominal de 20 %. Frecuencia - valor nominal de 10 %. Desbalance de tensin de 15 %. Fallas simtricas y asimtricas. Interrupcin del suministro de la red - las interrupciones de hasta una semana se deben considerar una condicin extrema.

6.5.3 Turbinas no conectadas a la red de energa elctrica 6.5.3.1 Turbina para carga de bateras La turbina debe tener la capacidad para funcionar en todo el rango de tensiones de la batera que se indica a continuacin: rango de tensin -15 % o +30 % de la tensin nominal (ejemplo 12 V, 24 V, 36 V, etc.), o 5 % ms all de los ajustes superior e inferior del controlador de carga.

6.5.3.2 Red local Se espera que las turbinas conectadas a una red local, por ello no conectadas a una red elctrica grande, encuentren variaciones grandes en la tensin y la frecuencia. El sistema de turbinas debe tener la capacidad de funcionar dentro de los siguientes lmites: tensin: desviacin con respecto a los valores nominales de 15%, y frecuencia: nominal 5 Hz.

7. 7.1

DISEO ESTRUCTURAL GENERALIDADES

El diseo estructural del aerogenerador se debe basar en la verificacin de la integridad estructural de los componentes en el trayecto de carga crtica desde las palas del rotor hasta la 29


NTC 5725

cimentacin. Los esfuerzos de ruptura y resistencia a la fatiga de las partes estructurales deben verificarse por clculos y/o ensayos para demostrar la integridad estructural de un aerogenerador con el nivel de seguridad correcto. El anlisis estructural debe basarse en la norma ISO 2394 o equivalente, cuando corresponda. 7.2 METODOLOGA DE DISEO

Debe verificarse que no se excedan los estados lmites en el diseo del aerogenerador. Existen tres maneras de determinar las cargas de diseo para la turbina: 7.3 ecuaciones de carga simplificadas (vase el numeral 7.4); modelado aeroelstico (vase el numeral 7.5); y ensayo de cargas mecnicas (vase el numeral 7.6). CARGAS Y CASOS DE CARGA

Se deben considerar los siguientes tipos de cargas. 7.3.1 Cargas de inercia, vibracin y gravitacionales

Las cargas de inercia y gravitacionales son cargas estticas y dinmicas que actan en el aerogenerador y resultan de la inercia, la vibracin, la rotacin, la gravedad y la actividad giroscpica y ssmica (o movimiento de la estructura de soporte como es el caso de los botes, etc.). Se recomienda atencin especial a la excitacin de las frecuencias naturales del sistema de turbinas. 7.3.2 Cargas aerodinmicas

Las cargas aerodinmicas son las cargas estticas y dinmicas que son causadas por el flujo de aire y su interaccin con las partes estticas y mviles del aerogenerador. El flujo de aire depende de la velocidad rotacional del rotor, la velocidad del viento a travs del plano del rotor, la turbulencia, la densidad de aire, y de las formas aerodinmicas de los componentes del aerogenerador y sus efectos interactivos, incluyendo los efectos aeroelsticos. 7.3.3 Cargas funcionales

Las cargas funcionales resultan del funcionamiento y control del aerogenerador. Estas cargas pueden ser causadas por orientacin, frenado, plegado, variacin del ngulo de la pala, conexin a la red, etc. 7.3.4 Otras cargas

Tambin se deben tomar en consideracin todas las cargas que pueden ocurrir debido a ambientes de funcionamiento especiales que especifique el fabricante (por ejemplo cargas por ondas, cargas por estela, cargas por hielo, cargas por transporte, montaje, mantenimiento y reparacin, etc.).

30

NORMA TCNICA COLOMBIANA7.3.5 Casos de cargas

NTC 5725

Para propsitos de diseo, la vida til de un aerogenerador pequeo se puede representar por un conjunto de situaciones de diseo que cubren las condiciones ms significativas que pueda experimentar el aerogenerador. Los casos de carga se deben determinar a partir de los modos de funcionamiento u otros estados de diseo, tales como la instalacin especfica, las condiciones de montaje o del mantenimiento, junto con las condiciones externas. Deben considerarse los casos de cargas pertinentes con una probabilidad de incidencia razonable, junto con el comportamiento del sistema de control y de proteccin. En trminos generales, los casos de cargas de diseo utilizadas para verificar la integridad estructural de un aerogenerador deben calcularse a partir de las siguientes combinaciones: funcionamiento de la turbina sin falla y con condiciones externas normales; funcionamiento de la turbina sin falla y con condiciones externas extremas; funcionamiento de la turbina con falla y con condiciones externas adecuadas; y situaciones de diseo de transporte, la instalacin y mantenimiento y condiciones externas adecuadas.

Si existe correlacin significativa entre una condicin externa extrema y una situacin de falla, debe considerarse una combinacin realista de las dos como un caso de carga de diseo. En cada situacin de diseo, deberan considerarse varios casos de carga de diseo para verificar la integridad estructural de los componentes del aerogenerador. Como mnimo, deben considerarse los casos de carga de la Tabla 2 o de la Tabla 4. En estas tablas los casos de carga se especifican para cada situacin de diseo por la descripcin del viento, las condiciones elctricas y otras condiciones externas. Cuando el sistema de control y proteccin no monitorea y limita algunos parmetros de la turbina, esto se debe considerar en los casos de carga. Ejemplos de tales parmetros son: 7.4 7.4.1 torsin del cable, vibraciones, velocidad del rotor, y trepidacin. MODELO DE CARGA SIMPLIFICADO Generalidades

Para algunas configuraciones de turbina, las cargas se pueden derivar utilizando ecuaciones sencillas y conservadoras para un conjunto limitado de casos de carga. El Anexo F proporciona informacin general para estas ecuaciones. Si la configuracin de la turbina no cumple los requisitos de configuracin, no se pueden utilizar las ecuaciones sencillas, en su lugar se deben utilizar el modelado aereoelstico (vase el numeral 7.5) o las mediciones de carga (vase el numeral 7.6). 31


NTC 5725

Las configuraciones de turbina en las que se pueden utilizar las ecuaciones sencillas deben cumplir todos los requisitos que se indican a continuacin: eje horizontal, rotor de tipo propulsor con dos o ms palas, palas en voladizo y buje rgido (sin articulacin ni cabeceo (Teetering)).

La configuracin de la turbina puede utilizar un rotor a barlovento o a sotavento; puede funcionar bien sea con velocidad constante o con velocidad variable; puede tener un mecanismo de inclinacin de las palas activo o pasivo, as como una inclinacin fija; y se puede plegar alrededor de los ejes vertical, horizontal o intermedio o puede carecer del plegado. El modelo de cargas simplificado, tal como se describe en esta seccin, utiliza parmetro de entrada que, excepto para la rata mxima de orientacin, se deben determinar tal como se describe en el numeral 9.2. Estos parmetros son: velocidad de rotacin de diseo, ndesign, velocidad del viento de diseo, Vdesign, par de torsin de diseo del eje, Qdesing, rata mxima de orientacin, yaw,max, y velocidad de rotacin mxima, nmax.

Adems, la relacin de velocidad de diseo en punta se define as: =Vtip Vhub =

ndesign R R design = 30 Vhub Vd esign

(19)

n =

2 n n = 60 30

(20)

Los casos de carga para los clculos de carga simplificados se resumen en la Tabla 2. Los componentes de carga para los clculos simplificados se encuentran en cada una de las secciones que discuten los casos de carga. Para cada situacin de diseo, el tipo adecuado de anlisis se indica con "F" y "U" en la Tabla 2. La letra F se refiere al anlisis de las cargas de fatiga, que se debe utilizar en la evaluacin de la resistencia a la fatiga. La letra U se refiere al anlisis de las cargas de ruptura como es el caso del anlisis al exceder la resistencia mxima del material, el anlisis de la deflexin de la punta de la pala y el anlisis de estabilidad.

32


NTC 5725

Tabla 2. Casos de carga de diseo para el mtodo de clculo de carga simplificado Situacin de diseo Produccin de energa Casos de carga A B C D Operacin normal Orientacin Error de Orientacin Empuje mximo Influjo de viento Vhub = Vdesign Vhub = Vdesign Vhub = 2,5 Vave Tipo de anlisis F U U U Observaciones

Rotor girando, pero podra plegarse o vibrar.

Produccin de energa y ocurrencia de falla

E F

Velocidad de rotacin mxima Cortocircuito en la conexin de la carga Parada (frenado) Carga de parqueado viento

U Vhub = Vdesign U Par de torsin mximo del generador en corto circuito.

Detencin o parada Parqueado (ralent o parado*) Parqueado y condiciones de falla

G H

Vhub = Vdesign Vhub = Ve50

U U

I

Carga de viento parqueado y con mxima exposicin

Vhub = Vref

U

La turbina est cargada con la exposicin menos favorable.

Transporte, montaje, J A establecer por el mantenimiento y fabricante reparacin * Vase el anexo G para aclaracin de estas definiciones.

U

Si se requiere, para la seguridad en el diseo especifico del aerogenerador, deben considerase otros casos de cargas relevantes. 7.4.2 Caso de carga A: operacin normal

La carga de diseo para la "operacin normal" es una carga de fatiga. El caso de carga asume una carga de fatiga de rango constante para la pala y el eje, estos rangos se presentan a continuacin. Los rangos se deben considerar en la evaluacin de la fatiga como valores pico a pico. Los valores medios de los rangos de cargas se pueden ignorar. Cargas sobre las palas:2 FzB = 2 mB Rcogn ,design

(21)

M sB =

Qdesign B

+ 2 mB gRcog

(22)

M yB =

design QdesignB

(23)

Se podra considerar que la carga de fatiga en la pala ocurre en la unin entre la superficie aerodinmica y la base o en la unin entre la base y el buje, cualquiera sea la que se determine con la resistencia mnima a la ruptura. Los esfuerzos calculados son la combinacin de la carga centrifuga (FzB) y los momentos de flexin (MxB y MyB).

33

NORMA TCNICA COLOMBIANACargas sobre el eje:Fx M x shaft

NTC 5725

=

3 design Qdesign 2 R = Qdesign + 2 mr gerR Fx 6

(24)

shaft =

(25)

M shaft = 2 mr gLrb +

shaft

(26)

Donde er = 0,005R, a menos que a travs de los documentos del diseo se pueda probar que un valor ms bajo es razonable. La carga de fatiga en el eje del rotor se debe considerar en el eje del rotor en el primer cojinete (el que est ms prximo al rotor). El rango de esfuerzo se debe calcular a partir de la combinacin de la carga de empuje (Fx-shaft), el momento de torsin (Mx-shaft) y el momento de flexin (Mshaft). 7.4.3 Caso de carga B: orientacin

Para este caso de carga, las cargas de ruptura (fuerzas y momentos giroscpicos) se deben calcular asumiendo la velocidad mxima de orientacin yaw,mx que ocurre con ndesign. Para un sistema de orientacin pasiva, la rata mxima de orientacin est dada por la siguiente ecuacin:w yaw,mx = 3 0,01 (R 2 2 )(27)

Para todas las turbinas con un rea de barrido del rotor inferior a 2 m2, la rata mxima de orientacin debe ser 3 rad/s. Para un sistema de orientacin activo, la rata mxima de orientacin se debe determinar mediante la medicin con el viento en calma. Si se espera que la rata mxima de orientacin ocurra en condiciones especiales tales como la orientacin de emergencia a una rata ms alta, la rata de orientacin activa se debe medir bajo estas condiciones. Las cargas debidas al momento de flexin MyB en la pala y al momento de flexin del eje Mshaft se deben calcular utilizando las siguientes ecuaciones:2 M yB = mB yaw Lrt Rcog + 2 yaw I Bn +

R Fx 9

shaft

(28)

Fx-shaft est dado por la ecuacin 24. Para el eje, las cargas dependen de la cantidad de palas. Para un rotor con dos palas:M shaft = 4yawn I B + mr gLrb + R Fx 6 shaft

(29)

34

NORMA TCNICA COLOMBIANAPara un rotor con tres o ms palas:

NTC 5725

M shaft = B yawn I B + mr gLrb +

R Fx 6

shaft

(30)

7.4.4

Caso de carga C: error de orientacin

Todas las turbinas funcionan con un cierto error de orientacin. En este caso de carga, se asume que el error de orientacin es de 30. El momento de flexin en la direccin de Flap causado por el error de orientacin est dado por la siguiente ecuacin:M yB2 1 1 4 3 2 1 + = Aproj ,B C1,max R n , design + design 8 3 design

(31)

Si no se tienen datos sobre el coeficiente mximo de elevacin, Cl,mx, se debe usar un valor de 2,0. 7.4.5 Caso de carga D: empuje mximo

El aerogenerador puede estar expuesto a cargas de empuje alto en el rotor. La carga de empuje acta paralela al eje del rotor y tiene un valor mximo dado por:2 Fx shaft = CT 3,125 VaveR 2

(32)

Donde CT es el coeficiente de empuje, igual a 0,5. 7.4.6 Caso de carga E: velocidad rotacional mxima

La carga centrfuga en la base de la pala FzB y el momento de flexin del eje Mshaft debido a la carga centrfuga y al desbalance del rotor, se deben calcular a partir de las ecuaciones que se indican a continuacin. La velocidad mxima posible del rotor n,mx = (/30) nmx se debe derivar mediante mediciones tal como se describe en 9.2.4.2 FzB = mBn ,max R cog 2 M shaft = mr gLrb + mr ern ,max Lrb

(33) (34)

7.4.7

Caso de carga F: cortocircuito en la conexin de carga

En el caso de un cortocircuito elctrico directo en la salida del aerogenerador o de un corto interno en el generador, se crea un momento alto alrededor del eje del rotor debido al par de torsin del cortocircuito del alternador. En ausencia de algn valor que pruebe ser ms exacto, se debe tomar el doble del valor Qdesign como el par de torsin del cortocircuito que acta en el eje del generador.Mx shaft

= GQdesign

(35)

En ausencia de algn valor que pruebe ser ms exacto, G debe ser 2,0.M xB = M x shaf t B(36)

35

NORMA TCNICA COLOMBIANA7.4.8

NTC 5725

Caso de carga G: Parada (frenado)

En el caso de aerogeneradores con un sistema de frenado mecnico o elctrico en la transmisin, el momento de frenado puede ser mayor que el momento mximo de propulsin. En estos casos, el momento de frenado Mbrake derivado de ensayos o clculos, se debe usar en los clculos de diseo del aerogenerador. Se asume que el par de torsin mximo del eje es igual al par de torsin del freno ms el par de diseo (se asume as que el freno se aplica mientras el generador an entrega el par de torsin de diseo).Mx shaft

= M brake + Qdesign

(37)

Mbrake se debe multiplicar por la relacin de la caja multiplicadora si el freno est en el eje de alta velocidad. Se asume que la carga de la pala durante la parada se determina a travs del par de torsin del eje y la masa de la pala. Entonces:M xB =en donde Mx.shaft es el par de torsin del eje segn se calcula en la ecuacin (vase el numeral 37).

M x shaft B

+ mB gRcog

(38)

Si la turbina tiene una caja multiplicadora y un freno en el eje de alta velocidad, el par de torsin del eje calculado en la ecuacin (37) se debera incrementar para tener en cuenta la dinmica de la transmisin. En ausencia de algn valor que pruebe ser ms exacto, el par de torsin del eje se debe multiplicar por un factor de 2. 7.4.9 Caso de carga H: carga del viento con aerogenerador parqueado

En este caso de carga, el aerogenerador est parqueado de manera normal. Las cargas en las partes expuestas del aerogenerador se deben calcular asumiendo una velocidad del viento igual a Ve50 que se determin en 6.3.3.2. Para las turbinas que estarn parqueadas, el momento de flexin en la base de la pala fuera del plano est determinado por el arrastre y entonces se define como:M yB = C d 1 Ve2 Aproj,B R 50 4

(39)

en donde Cd Aproj,B es el coeficiente de arrastre y se debe tomar como 1,5; y es el rea planiforme de la pala.

Para las turbinas cuyo rotor gira a Ve50, se espera que en algn lugar en el rotor ocurra Cl,max en una de las palas debido a las variaciones en la direccin del viento. De este modo, el momento de flexin en la base de la pala es:M yB = C l,max 1 Ve2 Aproj,B R 50 6

(40))

Si no existen datos disponibles sobre Cl,max se debe utilizar un valor de 2,0.

36

NORMA TCNICA COLOMBIANAPara la carga de empuje:

NTC 5725

Para un rotor parqueado la carga de empuje del eje se calcula segn la ecuacin 41.Fx shaft = B X C d 1 Ve2 AprojB 50 2

(41)

Para un rotor que est girando la fuerza de empuje est dada por:2 Fx shaft = 0,17 BAprojB , e 50

Ve2 50

(42)

en donde

e50

es la relacin de velocidad en punta a Ve50, que si no se conoce se puede estimar as:

e50 =

mxR30 Ve 50

(43)

El momento mximo de flexin de la torre se debe calcular utilizando la fuerza de empuje calculada bien sea en la ecuacin (41) o la (42) (dependiendo del diseo de la turbina). Tambin se deben tener en cuenta la fuerza de arrastre o de elevacin en la torre y en la gndola. La ecuacin (44) se debe usar para calcular estas fuerzas. Para torres auto soportadas el momento mximo de flexin ocurrir en la base de la torre. Para torres con retenidas, el momento mximo de flexin ocurrir en la unin del cable de retencin, ms alta. La carga para cada componente est dada por:F =Cf = 1 Ve2 Aproj 50 2

(44)

en donde Cf Aproj es el coeficiente de fuerza (vase Tabla 3), y es el componente de rea proyectada en un plano perpendicular a la direccin del viento.

A partir de las cargas en los componentes individuales de la pala, es necesario calcular las cargas en el eje y en la torre. 7.4.10 Caso de carga I: carga del viento con aerogenerador parqueado, exposicin mxima En el caso de una falla en el mecanismo de orientacin, el aerogenerador puede estar expuesto al viento que proviene de todas direcciones. De este modo, para propsitos de diseo, se deben calcular las fuerzas en las palas, la gndola, la torre y la cola (si aplica) del aerogenerador para todas las exposiciones posibles, incluyendo los vientos desde el frente, el lado, y la parte posterior del rotor. La carga en cada componente est determinada por:F =Cf 1 2 Vref Aproj 2

(45)

en donde Cf es el coeficiente de fuerza, que puede ser el resultado de la elevacin o el arrastre, y

37

NORMA TCNICA COLOMBIANAAproj

NTC 5725

es el componente de rea (en su posicin menos favorable) que es adecuado para el coeficiente de fuerza. Para los cuerpos romos (o chatos) (por ejemplo las cubiertas de las gndolas y las secciones de la torre), el rea debe ser el rea proyectada sobre un plano perpendicular a la direccin del viento. Para las formas aerodinmicas, el rea debe ser el rea planiforme. Tabla 3. Coeficientes de fuerza, Cf

Longitud caracterstica < 0,1 m Longitud caracterstica > 0,1 m

1,3 0,7

1,3 1,2

1,5 1,5

1,5 1,5

1,5 1,5

2,0 2,0

7.4.11 Caso de carga J: transporte, montaje, mantenimiento y reparacin El fabricante debe considerar las cargas sobre el sistema de turbinas que son causadas por el transporte, el montaje, la instalacin, el mantenimiento y la reparacin del sistema. Ejemplos de tales cargas son: cargas de la gravedad sobre la turbinas durante el transporte en posicin diferente a la vertical; cargas producidas por herramientas especiales de instalacin; cargas del viento durante la instalacin; cagas introducidas por el izamiento de la turbina en la cimentacin; cargas por la inclinacin de la torre durante el izamiento; y carga en una estructura de soporte debido a su escalada.

-

Como ejemplo, a continuacin se presenta la ecuacin para calcular las cargas durante la inclinacin de la torre:M tower = 2 ( mtowertop + moverhang 2 )gL lt(46)

en donde

Mtower

es el momento de flexin de la torre en el punto de sujecin para la elevacin (Nm);

mtower top es la masa combinada de la gndola y el rotor (kg); moverhang masa de la torre entre el punto de sujecin para la elevacin y la punta de la torre (kg); y Lltdistancia entre el punto de sujecin para la elevacin y la punta de la torre (m).

La ecuacin (46) se basa en las siguientes presunciones: el factor de amplificacin dinmico es 2; el centro de gravedad de la turbina est a lo largo del eje del rotor; y 38

NORMA TCNICA COLOMBIANA7.5 7.5.1

NTC 5725

el momento mximo de flexin ocurre cuando la torre est horizontal. MODELADO AEROELSTICO Generalidades

En caso de que las cargas de diseo se determinen por modelado aeroelstico, se deben considerar los casos de carga de diseo (DLC) de esta seccin. En la Tabla 4 se proporciona un grupo mnimo de casos de carga de diseo. En dicha tabla se especifican los casos de carga de diseo para cada situacin de diseo describiendo el viento, las condiciones elctricas y otras condiciones externas. En los casos de carga evaluados donde se da un rango de velocidad del viento, el caso de carga se debe evaluar en todo el rango de velocidad del viento para asegurar que se identifica la peor carga. Se deben considerar otros casos de carga pertinentes para la seguridad, si as lo requiere el diseo especfico del aerogenerador. Para cada situacin de diseo, el tipo adecuado de anlisis se indica con "F" y "U" en la Tabla 4. La letra F se refiere al anlisis de las cargas de fatiga, que se debe utilizar en la evaluacin de la resistencia a la fatiga. La letra U se refiere al anlisis de las cargas de ruptura como es el caso del anlisis al exceder la resistencia mxima del material, el anlisis de la deflexin de punta y el anlisis de estabilidad. 7.5.2 Produccin de energa (DLC 1.1 - 1.5)

En estos casos de carga, el aerogenerador est girando y est conectado a la carga elctrica. En la configuracin asumida del aerogenerador se debe tener en cuenta el desbalance del rotor. La masa mxima y los desbalances aerodinmicos (por ejemplo el paso de la pala o las desviaciones por torsin) especificados para fabricar el rotor deben utilizarse en los clculos del diseo. Adems, las desviaciones de las situaciones de funcionamiento ptimo terico tales como la desalineacin de la orientacin y los errores de seguimiento del sistema de control deben tenerse en cuenta en el anlisis de las cargas funcionales. En el clculo, se debe asumir la combinacin ms desfavorable de condiciones, por ejemplo el cambio de direccin con desalineacin de orientacin en el caso de carga de diseo (DLC) 1.4. El caso de carga de diseo 1.1 comprende los requisitos para las cargas que resultan de la turbulencia atmosfrica. Los casos DLC 1.2 a 1.5 especifican casos transitorios que se han seleccionado como eventos potencialmente crticos en la vida til de un aerogenerador.

39


NTC 5725

Tabla 4. Grupo mnimo de casos de carga de diseo para modelos aeroelsticos Situacin de diseo 1) Produccin de energa DLC 1.1 1.2 1.3 EOG50 1.4 ECG 1.5 2) Produccin de energa ms incidencia de falla 2.1 NWP 2.2 NTM 2.3 3) Parada normal 3.1 3.2 4) parada de emergencia o manual 5) Parqueado (parado o ralent) 4.1 5.1 Condicin del viento Vin < Vhub < NTM Vout o 3V ave ECD Vhub < VdesignVin < Vhub < Vout o 3V ave

Otras condiciones

Tipo de anlisis F,U U U U U

Vin < Vhub < Vout o 3V ave Vhub < Vdesign o Vout o 2,5Vave Vin < Vhub < Vout o V e1

ECG Vhub < Vdesign Falla del sistema de control Falla del sistema de control o de proteccin Prdida de la conexin elctrica

U F,U

EOG1 NTM

Vin < Vout o 2,5Vave

U F U

Vin < Vhub < Vout Vhub = Vout o Vmax ,shutdownel Posibles prdidas de la red de energa elctrica

EOG1

NTM La establece fabricante EWM Vhub = Ve 50Vhub < 0,7Vref

U U

5.2 NTM 6) Parqueado y condicin de falla 7) Transporte, montaje, mantenimiento y reparacin. 6.1 7.1

F U U

EWM Vhub = Ve1 La establece el fabricante

7.5.3

Produccin de energa ms incidencia de falla (DLC 2.1 - 2.3)

Debe asumirse que cualquier falla en los sistemas de control o de proteccin, o fallas internas en

50588155 Norma Colombiana Aerogeneradores 50566772 NTC5725

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