TEMA 6:Diseño de aerogeneradores:

criterios básicos. Fabricación

TAMAÑO DE AEROGENERADORES La potencia producida aumenta con el área de barrido del rotor.

Razones para elegir grandes turbinas

•Economías de escala en los aerogeneradores; máquinas más grandes son capaces de suministrar electricidad a un coste más bajo. La razón es que los costes de las cimentaciones, la construcción de carreteras, la conexión a la red eléctrica, además de otros componentes en la turbina (el sistema de control electrónico, etc.), son más o menos independientes del tamaño de la máquina. •Las máquinas más grandes están particularmente bien adaptadas para la energía eólica en el mar. Los costes de las cimentaciones no crecen en proporción con el tamaño de la máquina, y los costes de mantenimiento son ampliamente independientes del tamaño de la máquina. •En áreas en las que resulta difícil encontrar emplazamientos para más de una única turbina, una gran turbina con una torre alta utiliza los recursos eólicos existentes de manera más eficiente. •Impacto visual: máquinas más grandes suelen tener una velocidad de rotación más pequeña.

Razones para elegir turbinas más pequeñas

•Red eléctrica local demasiado débil para manipular la producción de energía de una gran máquina. •Hay menos fluctuación en la electricidad de salida de un parque eólico compuesto de varias máquinas pequeñas.•El coste de usar grandes grúas, y de construir carreteras lo suficientemente fuertes para transportar los componentes de la turbina, puede hacer que en algunas áreas las máquinas más pequeñas resulten más económicas.

TAMAÑO DE AEROGENERADORES

Combinación de tecnología y economía:

“se busca garantizar la fiabilidad requerida durante los 20 años de vida útil y producir la electricidad al menor coste posible por kilovatio-hora (kWh) de energía; no importa demasiado si se están utilizando los recursos eólicos de forma eficiente: a fin de cuentas el combustible es gratis. “

“se mira la distribución de velocidades de viento y el contenido energético a diferentes velocidades para determinar cuál será la combinación ideal de tamaño de rotor y de tamaño de generador en los diferentes emplazamientos de aerogeneradores”.

DISEÑO DE UN AEROGENERADORCriterio de Fiabilidad estructural:

integridad frente a cargas extremas (estáticas, como f. centrífuga, rotor en bandera, vientos huracanados, etc.)

Integridad frente a cargas de fatiga (cargas dinámicas debidas al giro de palas, transitorias por maniobras de orientación o actuación de mecanismos de regulación paso pala, turbulencias, efecto estela…)

nivel controlado de deformaciones y vibraciones en condiciones de servicio

CERTIFICACION DE ACUERDO A NORMAS GL (GERMANISHER LLOYD) o DNT (DET NORSKE VERITAS)

ETAPAS DE DISEÑO

1. DISEÑO CONCEPTUAL- concepto estructural del aerogenerador (con-sin multiplicadora; estructura del tren de transmisión)

2. DISEÑO DE CONJUNTO- determinación de componentes y requerimientos de cada uno

3. DISEÑO DE DETALLE- cálculos justificativos de la fiabilidad: cargas extremas, fallo a fatiga, deflexiones máximas, frecuencias de resonancia, desgaste, corrosión…

4. PLANOS DE FABRICACION

ASPECTOS CRÍTICOS DE DISEÑO

Cálculos típicos:

1. Integridad estructural frente a cargas extremas y de fatiga2. Pandeo frente a cargas extremas 3. Análisis de frecuencias propias4. Comportamiento frente a corrosión y agentes ambientales

Minimizar su peso y su costo.

Minimizar la emisión de ruido acústico.

Minimizar la afectación de su desempeño aerodinámico por efecto de partículas que se adhieran (v.g., polvo, insectos impactados).

Soportar los efectos de condiciones climáticas normales y severas (v.g., radiación solar, humedad, granizo, lluvia).

PALAS

Diseño aerodinámico de forma que el ángulo de ataque se mantenga lo más cercano posible a su valor óptimo a lo largo de toda la pala (ángulo de calaje variable a lo largo de la pala).

Resistir la amplia gama de cargas de viento a que estarán sujetas durante una vida útil de por lo menos 25 años.

ASPECTOS CRÍTICOS DE DISEÑOSISTEMA DE CAMBIO DE PASO

1. Integridad estructural frente a cargas extremas y de fatiga2. Capacidad de actuación del sistema 3. Inestabilidad por acoplamiento con la rigidez torsional de la pala

BUJE

1. Integridad estructural frente a cargas de fatiga2. Tensiones asociadas a la rigidez de la unión con la pala (coronas de

orientación

EJE PRINCIPAL

1. Integridad estructural frente a cargas de torsión2. Cálculo de los rodamientos soporte de la estructura:

comportamiento a cargas extremas, a cargas de fatiga, condiciones de lubricación y obturación, cálculos de vida a fatiga

CRITERIOS DE DISEÑO

MULTIPLICADORA

1. Vida a fatiga de los rodamientos del sistema2. Cumplimiento de límites de presión en los contactos bajo carga

estática y dinámica3. Comportamiento de los engranajes frente a cargas estáticas y de

fatiga (tensión, deformación en los dentados, desgaste…)4. Condiciones de lubricación

CRITERIOS DE DISEÑOGÓNDOLA (NACELLE)

1. Resistencia frente a cargas de fatiga2. Comprobación de las uniones soldadas

SISTEMA DE ORIENTACIÓN

1. Resistencia a rotura frente a Momentos máximos 2. Desgaste de las superficies de contacto3. Comportamiento del rodamiento bajo carga estática y ante

movimientos oscilatorios…

TORRE y CIMENTACIÓN

1. Respuesta dinámica y comprobación de frecuencias naturales de vibración( que no estén próximas a las generadas por la rotación de las palas, para evitar resonancias)

2. Comprobación de uniones soldadas y atornilladas3. Estabilidad de la torre (pandeo máximo)4. Comprobación de par de vuelco de la zapata de cimentación5. Comprobación de resistencia a la fuerza centrífuga en caso de rotura

de pala

RETOS TECNOLOGICOS: REDUCCIÓN COSTE DEL KWh

POSICIÓN ROTOR

A BARLOVENTO(aguas arriba)

A SOTAVENTO(aguas abajo)

VENTAJAS

se evita el abrigo del viento tras la torre.

INCONVENIENTES

el rotor necesita ser bastante rígido

se necesita un mecanismo de orientación para mantener el rotor de cara al viento.

VENTAJAS

pueden ser construidos sin un mecanismo de orientación, si el rotor y la góndola tienen un diseño apropiado que hace que la góndola siga al viento pasivamente.

rotor más flexible

INCONVENIENTES

fluctuación de la potencia eólica, debida al paso del rotor a través del abrigo de la torre. Esto puede crear más cargas de fatiga en la turbina que con un diseño corriente arriba.

NÚMERO DE PALASVENTAJAS

la mayor velocidad de rotación del rotor simplifica el diseño de multiplicador y generador

reduce las masas y costos de los demás elementos,

INCONVENIENTES

necesitan un contrapeso en el lado del buje que equilibre el rotor

desequilibrio aerodinámico muy acentuado que causa complejos esfuerzos de fatiga y complicadas construcciones

elevado nivel de ruido aerodinámico causado por una altísima velocidad en punta de pala.

Elevada perturbación visual

VENTAJAS

Comparándola con un rotor de tres palas, se logra disminuir un poco el costo de la hélice; pero debido a los fluctuantes esfuerzos dinámicos se requieren dispositivos especiales para disminuir el estado de carga, lo que eleva finalmente el costo global de la máquina, perdiéndose las ventaja económica respecto a la tripala.

INCONVENIENTES

diseño más complejo del rotor (buje basculante +/-2.5º –teetering-)con el fin de evitar fuertes sacudidas en la turbina cada vez que una de las palas pasa por la torre.

puede necesitar de amortiguadores adicionales que eviten que las palas del rotor choquen contra la torre.

MONOPALA BIPALA

NÚMERO DE PALASConsiderando un perfil de la capa límite atmosférica como el representado vemos que la fuerza aerodinámica de empuje axial provocada por el viento es mayor sobre las palas que ocupan una posición superior respecto a las demás.

En un rotor de tres palas, si bien estas fuerzas no quedan completamente equilibradas, la descompensación es bastante menor a la que se produce en uno de dos palas.

En el rotor tripala podemos considerar que Fa= Fb + Fc para los 360º en el giro de la hélice mientras que en el rotor bipala, cuando esta ocupa una posición vertical, Fa > Fb, mientras que al ocupar una posición horizontal Fa = Fb.

Se originará así un fuerte estado vibratorio de frecuencia π/2 (momento flector cíclico), que puede aminorarse con el sistema de teetering mencionado, pero no completamente.

Los materiales y los requerimientos de:

Resistencia estructuralResistencia a fatiga (en particular a tensiones alternas debidas

a vibraciones)RigidezPeso bajoFacilidad de procesado y fabricaciónResistencia a agentes medioambientales (erosión, corrosión)

han ido incrementándose en los últimos 20 años.

MATERIALES PARA PALAS

•Aleaciones de acero y de aluminio que tienen problemas de peso y de fatiga del metal, respectivamente, son actualmente usadas sólo en aerogeneradores muy pequeños.

•Fibra de vidrio reforzada con resina poliester, para la mayoría de las modernas palas de rotor de grandes aerogeneradores (dificultad de localizar el c.d.g)

•Fibra de vidrio reforzada con resina epoxy("GRP"), en forma de láminas pre-impregnadas.Palas más ligeras, mayor flexibilidad,menor deformación bajo Tªs extremas, excelente resistencia a la absorción de agua.

•Fibra de carbono o aramidas (Kevlar 29 o Kevlar 49) como material de refuerzo en tiras por sus buenas propiedades mecánicas .Alta resistencia específica, palas muy ligeras. Normalmente estas palas son antieconómicas para grandes aerogeneradores.

•Mixtos fibra de vidrio-fibra de carbono.

•Materiales compuestos (composites) de madera, madera-epoxy, o madera-fibra-epoxy aún no han penetrado en el mercado de las palas de rotor, aunque existe un desarrollo continuado en ese área.

MATERIALES PARA PALASFactores relevantes para la selección del material:

•Relación peso/resistencia•Coste

FABRICACIÓN PALAS Estructura central resistente + dos cubiertas exteriores que forman el perfil aerodinámico, de forma alabeada y anchura decreciente hacia la punta en dirección axial

FABRICACIÓN PALAS

ENSAYOS PARA PALASTest a estática: las palas son sometidas a cargas extremas durante un tiempo predeterminado (10-15s), para probar su resistencia a la rotura: son flexionadas en dos direcciones (flapwise & edgewise) utilizando un ciclo próximo a la frecuencia natural de la pala en cada dirección.

Test dinámico: se somete a la pala a oscilaciones correspondientes con su frecuencia natural: cinco millones de ciclos respecto de los dos ejes principales. Durante las pruebas una cámara de infrarrojos de alta resolución se usa para chequear si hay pequeñas roturas en el laminado de la pala y se registran las medidas de deformación procedentes de galgas extensiométricos colocadas sobre la superficie de la pala.

Test de rotura: cuando se usa un nuevo material o se ha realizado un cambio significativo en el diseño de la pala, se realiza adicionalmente un test de rotura, que no es más que llevar el test estático al caso extremo, aplicando una carga estática creciente en valor hasta lograr que la pala rompa, realizando los análisis posteriores de la superficie de fractura.

Inspección con infrarrojos (Termografía) se utiliza para revelar un aumento de calor local en la pala. Esto puede indicar,

• un área con humedecimiento estructural,

• un área de delaminación o un área que se está moviendo hacia el punto de rotura de las fibras.

Protección contra el embalamiento: sistema de frenos

Sistema de freno aerodinámico

Giro de las palas del rotor unos 90 º alrededor del eje longitudinal –denominada posición de bandera- en el caso de regulación por cambio en el ángulo de paso o de regulación activa por pérdida aerodinámica, o

Giro de 90º de la punta de las palas del rotor- movimiento de tip,enel caso de regulación por pérdida aerodinámica (aerofrenos).

Accionados mediante resortes montados “positivamente”: incluso en caso de fallo de suministro eléctrico, siguen funcionando. Son automáticamente activados si el sistema hidráulico de la turbina pierde presión. Una vez que la situación de peligro ha pasado, el sistema hidráulico de la turbina suele devolver las palas, o sus puntas a su posición original.

Son extremadamente seguros. Frenarán la turbina en cuestión de un par de vueltas Una forma muy suave de frenar la turbina, sin ningún esfuerzo,

desgaste o rotura importante

Sistema de freno mecánico

Es utilizado como sistema de apoyo del sistema de freno aerodinámico o, como freno de estacionamiento, una vez que la turbina ha sido parada, en el caso de una turbina de regulación por pérdida aerodinámica.

Las turbinas de regulación por cambio del ángulo de paso no activan el freno mecánico, excepto en trabajos de mantenimiento, dado que el rotor apenas si puede moverse cuando las palas del rotor están giradas 90 grados.

El freno mecánico va instalado EN EL EJE DE SALIDA DEL multiplicador Y A CONTINUACIÓN VA EL ACOPLAMIENTO AL GENERADOR

Protección contra el embalamiento: sistema de frenos

PARADA DE UN AEROGENERADOR

Puede ocurrir por los siguientes motivos:

Vientos altos. Cuando el viento supera un margen (>25 m/s ó 90 km/h),

Error de funcionamiento. Se detecta un error de funcionamiento en base a la lectura de los sensores de viento al controlador.

Parada por poco viento. Se inicia la secuencia si se detecta poca generación o vientos muy bajos.

Parada Manual. Se realiza bajo la supervisión del personal de operación y mantenimiento.

PROCEDIMIENTOS DE PARADAParada suavePaso fijo. El controlador envía una orden al sistema de captación

para desplegar los aerofrenos, simultáneamente desconecta generador, revisa la disminución de rpm y aplica frenos de forma suave. Al cabo de varios segundos, aplica una presión de frenadacada vez mayor hasta conseguir la detención total.

Paso Variable. La orden la envía a los actuadores del cambio de paso (pitch) aumentando los grados hasta los 90º (posición de bandera). Simultáneamente desconecta el generador y realiza un incremento paulatino de presión en el circuito secundario de frenada.

Parada de Emergencia. Se produce ante errores importantes, peligro para personas o integridad de la turbina. Se aplican frenos con la máxima presión desde el primer momento.

Cambio devanado generador. No se llega a realizar una parada, sólo una disminución de velocidad de giro en el caso de pasar del generador grande al pequeño. En el caso contrario, la turbina sedesacopla y permite el embalamiento con el viento hasta alcanzarla nueva velocidad de sincronismo.

CONSIDERACIONES DE RUIDORuido Mecánico

Ruido de engrane, ruido de rodadura, ruido en el generador eléctrico…

Ruido aerodinámicoPor la rotación de las palas (silbido),en el borde de salida, por vibraciones inducidas en la estructura…

Ruido aerodinámico = f(vpala) 5

FABRICACIÓN

ARRANQUE DE UN AEROGENERADOR

Cuando la turbina detecta viento en cualquier dirección, por los sensores de velocidad de viento (anemómetros de turbina), el controlador realiza las siguientes órdenes al aerogenerador, a través de los motores correspondientes:

Entre 2 - 3 m/s. Envía la orden de posicionarse frente al viento. Esta orden se denomina orientación de la turbina. A partir de 3 m/s. La orden de desaplicar frenos para permitir el giro de la turbina y comenzar a girar por el efecto únicamente del empuje del viento.En paso variable, además envía la consigna de posición de las palas progresivamente 90º a 0º. Rpm=>1500. Al llegar a la velocidad de sincronismo del generador solicitado(dependiendo del viento, se selecciona un generador u otro con velocidades diferentes), se conecta el generador a red de forma suave, contando para ello con electrónica de potencia mediante tiristores. Al realizar la conexión (dura entre 3 y 4 segundos), se conecta directamente el generador a red, mediante un interruptor. Conexión directa red. A partir de este momento, el generador queda conectado directamente a la red eléctrica general, enviando la energía al sistema nacional. La velocidad es constante y limitada únicamente por la frecuencia de la red. Cuando el viento es fuerte, existe una limitación de potencia en las palas al incrementar las turbulencias del flujo de aire. Paso Variable. El control del aerogenerador se realiza mediante la actuación en el ángulo de paso, capturando o limitando la potencia extraída del viento. La velocidad de generación puede ser variable.