ANALISIS DINAMICO DE LA PALA DE UN AEROGENERADOR

(1)

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS

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T E S I S

Q U E P A R A O B T E N E R E L G R A D O D E

M A E S T R O E N C I E N C I A S

C O N E S P E C I A L I D A D I NGE NIE RÍ A MEC Á NI CA

P R E S E N T A

I N G . A L E J A N D R O P A L A C I O S MÉN D E Z

DIRECTOR: DR. VALERY R. NOSSOV

(2)

(3)

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ÍNDICE

Resumen 11

Abstract 12

Objetivos 13

Justificación 14

Contribuciones 15

CAPÍTULO 1 ESTADO DEL ARTE 16

1.1 Evolución de los Aerogeneradores 18

1.2 Clasificación de los aerogeneradores 24

1.2.1 Aerogeneradores de baja potencia 25

1.2.2 Aerogeneradores de media potencia 25

1.2.3 Aerogeneradores de gran potencia 25

1.2.4 Elementos básicos 26

1.3 Componentes de los aerogeneradores de gran potencia 28

1.3.1 Palas 29

1.3.2 Materiales 29

1.3.3 Número de palas 31

1.3.4 Cubo o buje 32

1.3.5 Nariz 32

1.3.6 Caja de engranes 33

1.3.7 Generador 34

1.3.8 Sistemas de regulación de potencia y de velocidad 35

1.3.9 Sistemas de orientación 37

1.3.10 Sistemas de conexión a red 38

1.3.11 Sistemas de seguridad 39

1.3.12 Controladores electrónicos locales 40

1.3.13 Elementos de acoplamiento mecánico 41

1.3.14 Chasis principal y estructura soporte 41

1.3.15 Torre 41

1.3.15.1 Torres de acero tubular 42

1.3.15.2 Torres de celosía 42

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CAPÍTULO 2 ANÁLISIS DINÁMICO DE LA PALA UTILIZANDO ANSYS 44

2.1 Introducción 45

2.2 Caso de estudio 46

2.3 Planteamiento de la metodología 48

2.4 Construcción del modelo por elementos finitos 49

2.5 Validación del procedimiento para el análisis dinámico de las palas 50 2.5.1 Condiciones frontera y definición de malla 50 2.5.2 Obtención de las frecuencias estáticas de la viga 51 2.5.3 Obtención de las frecuencias dinámicas de la viga 54 2.5.4 Comparación de resultados calculados contra un método analítico 59

2.6 Casos a analizar con el programa ANSYS 62

2.7 Especificaciones generales del primer caso 62

2.7.1 Condiciones frontera y definición de malla 63 2.7.2 Cálculo de las frecuencias estáticas y formas modales 64 2.7.3 Obtención de las frecuencias dinámicas de la pala 66

2.8 Especificaciones generales de la pala para el segundo caso 71 2.8.1 Condiciones frontera y definición de malla 71 2.8.2 Cálculo de las frecuencias estáticas y formas modales 71 2.8.3 Obtención de las frecuencias naturales dinámicas 75

2.9 Referencias 80

CAPÍTULO 3 ANÁLISIS EXPERIMENTAL DE LAS PALAS 81

3.2 Metodología 83

3.3 Conceptos básicos de análisis modal experimental 84

3.4 Análisis modal experimental en una viga de aluminio 84

3.5 Análisis modal experimental de las palas 91

3.5.1 Experimentos en la pala de fibra 91

3.5.2 Experimentos en la pala de madera 101

3.6 Experimento realizado en el IPN a la pala de fibra de vidrio 109

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CAPÍTULO 4 COMPARACIÓN DE RESULTADOS NUMÉRICOS Y EXPERIMENTALES

114

4.2 Comparación de resultados del caso de validación 116

4.3 Comparación de resultados con carga dinámica para el caso de validación 119

4.4 Resultados de experimentos realizados en el Tecnológico de Monterrey 120 4.4.1 Comparación de resultados de la pala de fibra de vidrio 120 4.4.2 Comparación de resultados de la pala de madera 121

4.5 Comparación de resultados experimentales hechos en el IPN de la pala de fibra contra cálculos realizados en ANSYS

122

4.6 Referencias 122

CONCLUSIONES 123

TRABAJOS FUTUROS 124

REFERENCIAS ADICIONALES 125

(7)

Índice de Figuras.

1 Molino Persa. 19

1.1 Aerogenerador multipala americano. 19

1.2 Aerogenerador de La Cour. 20

1.3 Primer aerogenerador de corriente alterna. 20

1.4 Aerogenerador E-112. 22

1.5 Parque eólico prototipo la Venta I, Oaxaca México. 23

1.6 Fuerzas que se presentan en la pala. 24

1.7 Aerogenerador tipo Savonious. 25

1.8 Aerogenerador de baja Potencia. 26

1.9 Curva de Potencia de un aerogenerador de 1KW. 27 1.10 Potencia eléctrica en función de la velocidad del viento. 28 1.11 Componentes de un aerogenerador moderno. 29

1.12 Pala de un aerogenerador moderno. 29

1.13 Tamaño de rotores eólicos. 32

1.14 Cubo rígido de un aerogenerador de tres palas. 33 1.15 Caja de engranes de ejes paralelos y tipo planetario respectivamente. 33

1.16 Generador asíncrono de rotor devanado. 34

1.17 Generador síncrono de baja velocidad. 35

1.18. Servomotor mecanismo hidráulico para el control de paso. 35 1.19 Ángulos de incidencia en el perfil de una pala. 36 1.20 Desprendimiento de flujo sobre un perfil aerodinámico. 37

1.21 Configuraciones respecto al viento. 37

1.22 Servomecanismo para orientación de rotores viento arriba. 38

1.23 Frenos de disco. 39

1.24 Frenos aerodinámicos. 40

1.25 Acoplamiento de fricción. 41

1.26 Torre Tubular y de Celosía respectivamente. 42

2 Aerogenerador Bergey XL.1. 46

2.1 Curva de potencia del Bergey XL.1. 47

2.2 Dimensiones generales del Bergey XL.1. 47

2.3 Elemento shell de 4 nodos. 49

2.4 Dimensiones de la viga de aluminio. 50

2.5 Viga de aluminio modelada en ANSYS. 51

2.6 Primera forma modal de vibración. 51

2.7 Segunda forma modal de vibración. 52

2.8 Tercera forma modal de vibración. 52

2.9 Cuarta forma modal de vibración. 52

2.10 Quinta forma modal de vibración. 53

2.11 Sexta forma modal de vibración. 53

2.12 Séptima forma modal de vibración. 53

2.13. Dimensiones generales de la pala caso 1. 63 2.14. Pala modelada y mallada en ANSYS primer caso. 63

(8)

2.20 Dimensiones generales de la pala caso 2. 71 2.21 Pala modelada y mallada en ANSYS segundo caso. 72

2.22 Primera forma modal de vibración. 72

3 Equipo de análisis de vibraciones. 85

3.1 Montaje de la viga de aluminio. 86

3.2 Posición para realizar el impacto. 86

3.3 Realización de la prueba de impacto. 87

3.4 Marco de referencia para identificar formas modales. 89

3.5 Segunda forma modal en batimiento. 90

3.6 Montaje de la pala de fibra. 92

3.7 Excitación a 3Hz de la pala. 92

3.13 Excitación a 48 Hz de la pala. 95

3.20 Gráficas de las cuatro pruebas de impacto pala fibra. 99

3.21 Pala de madera empotrada. 101

3.22 Resultados de cuatro pruebas de impacto de la pala de madera. 102

(9)

3.37 Condiciones se montaje para experimento en el IPN. 109 3.38 Montaje del equipo para realizar el experimento en el IPN. 110 3.39 Frecuencias identificadas en la prueba 1. 110 3.40 Frecuencias identificadas en la prueba 2. 111 3.41 Frecuencias identificadas en la prueba 3. 111

Tablas.

2 Datos de operación del Bergey. 47

2.1 Frecuencias Naturales de la viga de aluminio. 54 2.2. Análisis de la viga de aluminio a diferentes velocidades. 58 2.3 Frecuencias Naturales de la pala caso 1. 66 2.4 Frecuencias Naturales de la pala caso 2. 75

3 Frecuencias obtenidas de la viga prueba uno. 87 3.1 Frecuencias obtenidas de la viga prueba dos. 89

4 Comparación de frecuencias obtenidas de la viga de aluminio. 116 4.1 Comparación de ANSYS y el método analítico. 117 4.2 Comparación de ANSYS y prueba de impacto. 117 4.3 Comparación de método analítico y prueba de impacto. 118 4.4 Comparación de ANSYS y ambas pruebas experimentales. 118 4.5 Comparación de ANSYS y método analítico con carga giratoria. 119 4.6 Comparación de experimentos realizados en T. M. a la pala de fibra. 120 4.7 Comparación de experimentos realizados en T. M. a la pala de Madera. 121 4.8 Comparación de ANSYS y experimento realizado en el IPN. 122

Gráficas.

2. Comportamiento del modo uno a diferentes velocidades. 55 2.1. Comportamiento del modo tres a diferentes velocidades. 55 2.2. Comportamiento del modo tres a diferentes velocidades. 56 2.3. Comportamiento del modo cuatro a diferentes velocidades. 56 2.4. Comportamiento del quinto modo a diferentes velocidades. 57 2.5. Comportamiento del modo seis a diferentes velocidades. 57

2.6. Diagrama de Campbell para la viga. 59

2.7. Comparación de resultados del modo 1. 60

2.8. Comparación de resultados del segundo modo. 60

2.9. Comparación de resultados del modo 3. 61

2.10. Comparación de resultados del cuarto modo. 61 2.11. Comparación de resultados del sexto modo. 62

2.12. Comportamiento del primer modo. 67

2.13. Comportamiento del modo dos. 67

2.14. Comportamiento del tercer modo. 68

(10)

2.16. Comportamiento del quinto modo. 69

2.17. Diagrama de Campbell para el caso uno. 70

2.18. Comportamiento del primer modo. 75

2.19. Comportamiento del segundo modo. 76

2.20. Comportamiento del tercer modo. 76

2.21. Comportamiento del cuarto modo. 77

2.22 Comportamiento del quinto modo. 78

2.23. Diagrama de Campbell. 79

3 Resultados de la primera lectura de la viga. 87 3.1 Resultados de la segunda lectura de la viga. 88

3.2 Resultados con excitación armónica. 91

3.3 Comparación de resultados pala fibra. 99

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Resumen

El presente trabajo se divide en cuatro capítulos que muestran el estudio detallado del análisis dinámico de las palas prototipo del aerogenerador Bergey XL.1, las cuales serán instaladas en el, con el objetivo de incrementar la eficiencia de este.

En el primer capítulo se mencionan algunos problemas que pueden tener las palas de los aerogeneradores al estar operando, así como las formas en las que se puede enfrentar el problema de análisis del aerogenerador y sus palas, posteriormente se presenta una descripción general de estos, con el objetivo de dar una idea general sobre su funcionamiento.

En el capítulo dos se describe el caso de estudio, se propone una metodología de análisis y se procede a realizar la evaluación en estado estático y dinámico de dos prototipos de palas por medio de un programa de elemento finito, se grafican los resultados y se analizan con el objetivo de identificar en primera instancia las formas modales y sus frecuencias correspondientes en estado estático y posteriormente con carga dinámica, esto para identificar los puntos críticos de las palas durante la operación del aerogenerador y evaluar si estas tienen un diseño correcto desde el punto de vista dinámico.

En el capítulo tres se presentan los procedimientos de la evaluación experimental en estado estático, primero se colocan las pruebas realizadas en el Tecnológico de Monterrey de una viga que sirve como validación del procedimiento experimental, ya comprobado este se procede a evaluar las palas, en primera instancia una pala de fibra y posteriormente a una de madera, a estas se les realizan dos tipos de pruebas, y finalmente se procede a analizar la misma pala de fibra con el equipo del IPN pero bajo diferentes condiciones de sujeción.

En el capítulo cuatro se procede a comparar los resultados obtenidos del análisis realizado en el programa de elementos finitos contra los métodos experimentales; primero se compara el caso de validación del procedimiento, y posteriormente se hace esta con los dos métodos experimentales utilizados en el Tecnológico de Monterrey, y por último los resultados de las pruebas realizadas en el IPN contra las obtenidas por elemento finito para el caso de la pala de fibra.

Finalmente se escriben las conclusiones a las que se llegó en la realización del presente trabajo, así como las propuestas para trabajos futuros.

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Abstract

The present work is divided in four chapters that show the detailed study of the dynamic analysis of the blades prototype of the wind turbine Bergey XL.1, which will be installed, with the objective of increasing the efficiency of this.

In the first chapter some problems are mentioned that can have the blades from the wind turbine when being operating, as well as the forms in those that can be faced the problem of analysis of the wind turbine and their blades, later on a general description of these is presented, with the objective of giving a general idea on its operation.

In the chapter two the case of study is described, it proposes an analysis methodology and you proceeds to carry out the evaluation in static and dynamic state of two prototypes of blades by means of a program of finite element, you plot the results and they are analyzed with the objective of identifying in first instance the modal forms and its corresponding frequencies in static state and later on with load dynamics, this to identify the critical points of the blades during the operation of the wind turbine and to evaluate if these have a correct design from the dynamic point of view.

In the chapter three the procedures of the experimental evaluation are presented in static state, first are placed the tests carried out in the Technological of Monterrey of a beam that serves as validation of the experimental procedure, proven this you proceeds to evaluate the blades, in first instance a fiber blade and later on to a wooden one, to these they are carried out two types of tests, and finally you proceeds to analyze the same fiber blade with the team of the IPN but under different subjection conditions.

In the chapter four you proceeds to compare the obtained results of the analysis carried out in the program of finite elements against the experimental methods; first the case of validation of the procedure is compared, and later on this is made with the two experimental methods used in the Technological of Monterrey, and lastly the results of the tests carried out in the IPN against those obtained by finite element for the case of the fiber blade.

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Objetivos.

Analizar el comportamiento dinámico de la pala de un aerogenerador, utilizando el análisis por el método de elementos finitos y la técnica de análisis modal experimental, con el fin de determinar las frecuencias naturales más relevantes y sus formas modales.

Evaluar las palas y ver si tienen un diseño correcto desde el punto de vista dinámico, y con estos resultados se tratará de evitar que está sufra algún daño estructural, cuando esta se encuentre en operación, debido a que las fuerzas que actúan sobre ella, pueden excitar algún modo.

Proponer y validar una metodología para la evaluación dinámica estructural de diferentes palas que pueden ser diseñadas en un futuro sin necesidad de construir un prototipo, como se realiza actualmente.

(14)

Justificación.

Todos sabemos México es uno de los principales productores de petróleo a nivel mundial, este recurso desafortunadamente es el principal causante de la contaminación, por lo que desde hace muchos años la humanidad ha buscado fuentes alternativas de energía, con las cuales se pueda disminuir el gran problema de contaminación, que actualmente afecta al planeta, además, con el incremento de la población en México la demanda de energía eléctrica va cada día en aumento, y esta juega un papel importante para el desarrollo de cualquier país.

En la actualidad para la mayoría de la producción de energía, se utilizan centrales termo eléctricas, las cuales consumen combustibles fósiles o gas natural, estas centrales proporcionan tres cuartas partes de la energía total eléctrica, otra fuente importante de generación aun que comparada con la anterior es la hidroeléctrica y geotermia que ocupan el 15% de la generación total, por lo que es de vital importancia que México se desarrolle en las fuentes alternativas.

Una opción muy buena es el desarrollo de la energía eólica, la cual en otros países lleva un gran avance, por mencionar algunas cifras se produce actualmente en el mundo por medio de aerogeneradores 37,220 MW, las Naciones que producen esta cantidad son: Alemania el cual ocupa el primer lugar con 14,000, España con 5,780; Dinamarca con 3,090, Francia con 230, Estados Unidos con 6,336, América latina con 134, Otros países con 7,645, y nuestro país con 2.

México cuenta para la generación industrial de electricidad en la actualidad sólo con tres proyectos importantes:

• Un aerogenerador de Mitsubishi que instaló la compañía Exportadora de Sal en Guerrero Negro, Baja California Sur.

• Un proyecto que encabezan el municipio de Zacatecas y el Instituto de Investigaciones Eléctricas, para la instalación de aerogeneradores en las cercanías de la ciudad de Zacatecas.

• El proyecto de la Venta, Oaxaca, de la Comisión Federal de Electricidad primera etapa y la segunda etapa que entrará en funcionamiento en noviembre del 2006 y se instalarán 98 Aerogeneradores de 850 KW cada uno.

Además en esta zona de México se registran velocidades promedio anual de 11.1 m/s a 50 metros de altura, que convierten a la región en una de las de mayor potencial eólico en el mundo, donde puede instalarse una capacidad de 2,000 MW para generar 7.36 TWh anuales, que es el 3.5 % de la demanda actual (2005) de energía eléctrica a nivel nacional [1.2], en la foto (1) se puede apreciar una parte del área superficial de aprovechamiento para la generación de energía, y en la foto (2) se ve la ubicación del parque eólico.

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el generador eléctrico, por esta razón se decidió plantear este trabajo de tesis en el área de Análisis Dinámico de la pala, con el fin de analizar el comportamiento dinámico de la

misma y así poder evaluarla y también diagnosticar posibles fallas durante su operación.

Contribuciones.

Desarrollo de una metodología para evaluación de palas de diferentes tamaños y formas tanto en la etapa de diseño como en construcción del prototipo.

Presentar parámetros del comportamiento de las prototipos de las palas que actualmente se han desarrollado en el Tecnológico de Monterrey como son sus formas modales, el diagrama de Campbell en condiciones de operación actuales del aerogenerador, con la finalidad de prever e identificar los posibles puntos críticos que tendrán las palas al estar en condiciones reales de operación.

Contribuir a la investigación y desarrollo de aerogeneradores el cual se lleva a cabo en la sección de postgrado del IPN e introducir al estudio de estos en el ITESM y demás universidades que se encuentran investigando esta área.

Foto 1. Parte del área de aprovechamiento para generación de energía.

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CAPÍTULO I

ESTADO DEL ARTE

1.1 Evolución de los Aerogeneradores 18

1.2 Clasificación de los aerogeneradores 24

1.2.1 Aerogeneradores de baja potencia 25

1.2.2 Aerogeneradores de media potencia 25

1.2.3 Aerogeneradores de gran potencia 25

1.2.4 Elementos básicos 26

1.3 Componentes de los aerogeneradores de gran potencia 28

1.3.1 Palas 29

1.3.2 Materiales 29

1.3.3 Número de palas 31

1.3.4 Cubo o buje 32

1.3.5 Nariz 32

1.3.6 Caja de engranes 33

1.3.7 Generador 34

1.3.8 Sistemas de regulación de potencia y de velocidad 35

1.3.9 Sistemas de orientación 37

1.3.10 Sistemas de conexión a red 38

1.3.11 Sistemas de seguridad 39

1.3.12 Controladores electrónicos locales 40

1.3.13 Elementos de acoplamiento mecánico 41

1.3.14 Chasis principal y estructura soporte 41

1.3.15 Torre 41

1.3.15.1 Torres de acero tubular 42

1.3.15.2 Torres de celosía 42

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En México la tecnología de los aerogeneradores es muy poco conocida e investigada, en la actualidad solo existen algunos aerogeneradores instalados, pero todos han sido importados, por lo que el desarrollo de esta tecnología no ha sido aprovechado como en otros países.

A continuación se presenta algunos conceptos básicos sobre estos y los problemas que pueden presentar en su estructura, pero principalmente en las palas que es el enfoque del presente trabajo.

Un aerogenerador está sometido a cargas variables debido a la turbulencia del viento y al movimiento cíclico del rotor, por lo que es necesario comprobar la integridad estructural de los diferentes componentes mecánicos y estructurales a fatiga. Además, el aerogenerador es una estructura flexible con poco amortiguamiento, por lo que previamente se deberá asegurar que no se produzca fallo catastrófico repentino por vibraciones de amplitud excesiva.

En el caso de la comprobación a fatiga de los diversos elementos, existen dos métodos matemáticos, ambos de naturaleza estadística, para el tratamiento de las fuerzas de excitación y la obtención de la respuesta de la estructura. El método de la respuesta en el tiempo, basado en modelizar cargas y respuesta estructural en el dominio del tiempo, permite analizar la influencia del control o introducir cargas cíclicas derivadas del efecto de sombra de la torre o de la cortadura vertical del viento, que se pueden simular mediante algoritmos funcionales dependientes del tiempo.

Sin embargo, requiere un esfuerzo de cálculo elevado al tener que considerar muchas historias temporales para conocer la respuesta del aerogenerador frente a las diferentes condiciones de viento y turbulencia. Por ello, en las primeras etapas de diseño es preferible utilizar el método espectral, en el que tanto las cargas como la respuesta estructural se procesan en el dominio de la frecuencia. Al mostrar directamente los picos dinámicos de respuesta en frecuencias cercanas a las de resonancia, permite determinar rápidamente los requerimientos dinámicos de los componentes del aerogenerador, analizar la sensibilidad a variaciones de masa y rigidez.

(18)

1.1 Evolución de los aerogeneradores.

La primera aplicación conocida y con referencia de la utilización del viento es la navegación, el viento es una fuente de energía que es gratuita, limpia e inagotable. Y que en la mayoría de los países cuenta con las condiciones para poder aprovecharla.

Dentro de las primeras aplicaciones del viento como ya se menciono es la navegación y los egipcios ya navegaban a vela en el año 4500 A.C., La historia menciona que la primera aplicación del uso del viento mediante un molino proviene de Heron de Alejandría que se encargo de construir una estructura el siglo II A.C. para proporcionar aire a su órgano.

Los molinos mas antiguos de los cuales se tiene conocimiento, pertenecen a la antigua Persia y pertenecen al siglo VII D.C. el territorio de los persas era muy ventoso y en ese momento los persas tenían los conocimientos más avanzados de la época, Los primeros molinos que aparecieron fueron los molinos de eje vertical, estos molinos constaban de un número determinado de velas montadas verticalmente, las cuales estaban unidas a un eje vertical y empujadas por el viento, estos molinos reemplazaron a los animales en la tarea de proporcionar el movimiento giratorio. En la figura 1, se pueden ver la forma de los molinos persa, cabe señalar que estos eran muy grandes pero también muy ineficientes.

Los chinos utilizaba molinos de viento a los cuales llamaban panémonas, algunos historiadores comentan que los panémonas pudieron ser precursores de los molinos persas, estos los utilizaban los chinos para bombear agua, estas eran de eje vertical y sus palas estaban construidas a base de tela sujetas a largueros de madera, la posición de las palas podría variase para así regular la acción del aire sobre el molino.

A partir del siglo XIII, los molinos se extendieron por Europa, sobretodo en los pises bajos y Bélgica.

El desarrollo de los molinos de viento se ve truncado debido a la revolución industrial, donde el uso del vapor como medio de impulso se hace masivo, a parece la electricidad y los combustibles fósiles como fuentes de energía motriz, sin embargo a mediados del siglo XIX se consiguen grandes avances tecnológicos, con las continuas mejoras a los sistemas mecánicos volviendo a los molinos mas eficientes, las primeras bombas eólicas aparecen por 1854, desarrolladas por Daniel Halladay los cuales están constituidos por rotores multipalas acoplados por un sistema biela manivela a una bomba de pistón [1.3].

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[image:19.612.196.402.449.685.2]

Figura 1. Molino Persa

En Dinamarca el profesor Paul La Cour en 1892 diseño un prototipo de aerogenerador eléctrico. La Cour fue uno de los pioneros de los modernos aerogeneradores, construyo un aerogenerador en 1891, el realizo experimentos de la aerodinámica de las palas en un túnel de viento que el mismo diseño y construyo. En la figura 1.2, se muestra el aerogenerador de La Cour [1.3].

Debido a los progresos tecnológicos en la aviación, como consecuencia de las guerras mundiales, los aerogeneradores comenzaron a utilizarse mucho más, ya que el constante estudio de las hélices de los aviones contribuyo mucho a al desarrollo de esta tecnología, surgieron proyectos donde se utilizaban dos o tres palas, primero se construyeron aerogeneradores bipala, debido a que estos eran mas económicos.

J. Savonius en 1925 utilizó el concepto del molino persa para estructurar su generador eólico de eje vertical, en 1931 en Estados Unidos fue patentado un rotor de eje vertical, mas exitoso que el anterior diseñado por el francés Darrieus.

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Figura 1.2. Aerogenerador de La Cour

En los 50 en Europa se desarrollaron los aerogeneradores de corriente alterna de la mano del Ingeniero Johannes Juul, en 1956 se desarrollo el aerogenerador de Gedser de 200 kW en Dinamarca, en 1960 el profesor Utrich Hutter construyo una maquina eólica que generaba 100 KW la cual tenia un diámetro de 34 m, estas maquinas representan el inicio de la generación de los Megavatios que se conocen actualmente. En la figura 1.3, se muestra el aerogenerador de Gedser que fue el primer aerogenerador de corriente alterna.

En 1973 en Canadá y en Estados Unidos en el 75 se retomo la idea de Darrieus ya que este tipo de maquina en la generación de 1 a 60 KW podían construirse a precios mas bajos que los molinos de viento de eje horizontal, en Estados Unidos los encargados de estudiar y comercializar este tipo de molinos de viento fueron los laboratorios Sandia.

La NASA construyo un aerogenerador bipala de 53 m de diámetro, el cual proveía una potencia máxima de 1250 KW que se instalo en Vermont, la NASA le hizo pruebas las cuales iniciaron en 1941, continuaron durante 15meses.

(21)

Un accidente en 1943 detuvo la maquina durante dos años, debido a las complicaciones de la guerra las partes del aerogenerador que se necesitaban para ponerlo en funcionamiento nuevamente tardaron en construirse, una ves puesto en marcha este proporciono energía durante 27 días, debido al que una de las palas se rompió el proyecto fue abandonado.

En 1975 se puso en funcionamiento los aerogeneradores Mod-0 los cuales tenían unas palas de 38 m y estaban construidas de metal, estos producían 100 KW, en 1977 se construyo el Mod-0A que producía 200 KW, en el año de 1978 la compañía General Electric termino su aerogenerador bipala Mod-1 el cual tenia una capacidad de 2MW y tenia un diámetro de 60 m.

En Francia se construyeron varios aerogeneradores experimentales con el apoyo de Electricité de France, dentro de estos aerogeneradores se encontraba el Best-Romani el cual contaba con palas de aleación ligera, este era un aerogenerador tripala y tenia un diámetro de 30 m, este producía 800 KW con una velocidad del viento de 60 km/h, este experimento proporciono mucha información en funcionamiento en condiciones reales de explotación entre los años de 1958 Y 1962.

En Estados Unidos se pueden ubicar el inicio de la construcción de aerogeneradores de grandes dimensiones, en 1941 había uno cuya hélice pesaba 7000 kg y tenia un diámetro de 53 m, bajo la responsabilidad de la NASA Estados unidos reanudo la construcción de aerogeneradores gigantes entre los cuales podemos encontrar uno de 61 m de diámetro que se encuentra en Ohio el cual produce 2000 KW, también se construyo uno de 91 m de diámetro este se encuentra en California y produce 2500 KW, ambos funcionan desde 1978.

El desarrollo de los aerogeneradores ha estado sujeto a diversos problemas uno de ellos como ya se menciono fue la revolución industrial y por algún tiempo el bajo precio del petróleo detuvo el crecimiento de esta tecnología, sin embargo en la época de los setentas se presenta la primera crisis del petróleo, lo que hace ver el petróleo no es un recurso inagotable con lo que se reinicia con el desarrollo de una nueva generación de aerogeneradores que junto con los avances tecnológicos en la aviación dieron como resultado maquinas mas perfeccionadas que permitieron su explotación, y estos se volverían rentables ya que se pusieron en servicio grandes aerogeneradores que producirían potencias eléctricas que variaban entre 2 y 5 MW.

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Figura 1.4. Aerogenerador E-112

En México las historia de los aerogeneradores es muy reciente, no existen antecedente del desarrollo de esta tecnología ya que por ser un país con bastos recursos petroleros no había sido necesario recurrir a la necesidad del desarrollo de fuentes alternativas de energía como es la utilización del viento para la generación de potencia, sin embargo, conforme ha trascurrido el tiempo el gobierno se ha dado a la tarea de iniciar su propia historia al integrarse a la utilización de la energía eólica, esto sucedió en el año de 1994 cuando Comisión Federal de Electricidad construyo un parque eólico prototipo con capacidad aproximada de 1.5 MW, este parque eólico se encuentra en la Venta Oaxaca, otro antecedente que existe del uso de la utilización de la energía eólica es el uso de molinos de viento en los estados de Coahuila y Yucatán, para bombear agua, acoplando en forma directa el rotor del molino a una bomba, para suministrar agua a los abrevaderos de los animales en ranchos, esto sucede desde hace muchos años.

En nuestro país hay muchas zonas con alto potencial energético proveniente del viento. Están el Istmo de Tehuantepec, especialmente en las cercanías de Salina Cruz y Juchitán; Zacatecas en el Cerro de la Bufa y el de la Virgen. estos son los que más destacan por la intensidad del viento y por la extensión en la cual sopla. En Pachuca, San Quintín y Mazatlán el aire se encajona y se requiere de estudios minuciosos para localizar con toda exactitud el lugar ideal para cada torre [1.2].

Para la generación industrial de electricidad existen sólo tres proyectos importantes:

• Un aerogenerador de Mitsubishi de 250 KW (equivalente a la energía que consumen 2,500 focos de 100 W) que instaló la compañía Exportadora de Sal en Guerrero Negro, Baja California Sur.

• Un proyecto que encabezan el municipio de Zacatecas y el Instituto de Investigaciones Eléctricas, para la instalación de aerogeneradores en las cercanías de la ciudad de Zacatecas.

• El proyecto de la Venta I, Oaxaca, de la Comisión Federal de Electricidad.

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KW, que genera 480 volts de corriente alterna, como se puede observar en la figura [1.5], estas turbinas cuentan con tres palas el diámetro del rotor es de 27metros , el diseño de estas turbinas eólicas permite el aprovechamiento de vientos de en el rango de 5 a 25 m/s. cada aerogenerador esta montado sobre una torre tubular de 30 metros de altura con una separación entre unidades de 80 metros, estas turbinas cuentan con un sistema de control automático que ajusta la orientación del Aerogenerador y de las palas, con la finalidad de aprovechar en forma óptima los vientos en la velocidad y dirección en que se presenten. Los generadores eléctricos son del tipo asíncrono con dos bobinas en el estator, de 50 KW y 225 KW, la de 50 KW opera con vientos entre 4 y 7 m/s y la otra con vientos mayores a 7 m/s. Además cuentan con un banco de capacitores para mantener el factor de potencia en un valor de 0.95 [1.2].

El voltaje de generación de 480 VCA se eleva a 13,800 VCA por medio de tres transformadores con capacidades de 500 KVA dos de ellos, y uno de 750 KVA, conectándolos a la red de distribución a través de un interruptor restaurador y de cuchillas seccionadoras. Después de 12 años de estudio del parque eólico ubicado en la Venta Oaxaca y en la zona conocida como el ISTMO de TEHUANTEPEC se ha encontrado un área potencial de 1,248 Km2 de terreno plano, en este lugar se registran velocidades promedio anual de 11.1 m/s a 50 metros de altura, que convierten a la región en una de las de mayor potencial eólico en el mundo, donde puede instalarse una capacidad de 2,000 MW para generar 7.36 TWh anuales, que es el 3.5 % de la demanda actual (2005) de energía eléctrica a nivel nacional. Por estas razones el gobierno ha decidido continuar con el aprovechamiento de este potencial y ha decidido construir otro parque eólico en la misma zona el cual será denominado la Venta II, este parque se tiene previsto que inicie su operación para noviembre del 2006 y se instalarán 98 Aerogeneradores de 850 KW cada uno y la Central Eólica La Venta II aportará al Sistema Eléctrico Nacional una generación media anual de 325,000 MWh, y se reducirá en más de 250,000 ton/año las emisiones de gases de efecto invernadero [1.2].

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1.2 Clasificación de los aerogeneradores.

Los aerogeneradores se pueden clasificar de dos maneras, si lo que se desea es hacer una clasificación con respecto al tipo de maquina, los podemos clasificar en forma general de dos maneras según sea el eje, ya sea de eje horizontal o de eje vertical. Y otra forma de clasificarlos es según su aplicación en la que se encuentran los sistemas de baja potencia, media y gran potencia.

Para la primera clasificación con respecto al tipo de eje se puede distinguir un primer grupo que tiene el eje paralelo a la dirección del viento, y dentro de los paralelos se puede encontrar con el rotor en la parte anterior el eje (posición a barlovento), o posterior (posición a sotavento).

En el segundo grupo el cual corresponde a los de eje vertical se clasifican en rotores por resistencia o por sustentación. En el primer grupo la fuerza motriz que se utiliza para generar potencia en el aerogenerador tiene la dirección del viento y en el segundo esta fuerza motriz es perpendicular.

En la figura 1.6, se observan la fuerza de sustentación y de resistencia y la figura representa un perfil aerodinámico sujeto a la carga del viento, en el cual el flujo crea un gradiente de presiones entre ambas superficies, de las cuales se puede ver una fuerza resultante (F), las proyecciones a que da lugar esta fuerza F son las fuerzas de resistencia y de sustentación

En el segundo grupo destacan dos diseños, el primero es la maquina de rotor tipo Savonious (Ver figura 1.7), la cual tiene una sección recta en forma de S y la acción de viento sobre ella tiene carácter de resistencia y el rotor tipo Darrieus, la cual esta compuesta por varias palas, y la sección recta tiene la forma de un perfil aerodinámico, las palas están unidas por los extremos al eje vertical [1.4].

Dentro de la clasificación por aplicación como ya se menciono anteriormente encontramos a los aerogeneradores de baja, media y alta potencia, los de baja potencia son capaces de suministrar una potencia inferior a los KW, los de media potencia suministran algunos cientos de KW y los de gran potencia son capaces de suministrar el rango unitario del megavatio.

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Figura 1.7. Aerogenerador tipo Savonious.

1.2.1 Aerogeneradores de baja potencia.

Este tipo de aerogeneradores son pequeños y generalmente son instalados en lugares aislados donde no se tiene alimentación de la red eléctrica, estos se combinan con bancos de baterías para poder almacenar la electricidad y de esta manera poderla utilizar cuando sea requerida, estos sistemas se ofrecen en la actualidad con capacidad unitaria de 35 KW. En la figura 1.8, se aprecia un aerogenerador de baja potencia, este tiene una capacidad de 5 KW. Además de utilizar este tipo de aerogeneradores para la acumulación de la energía eléctrica en baterías, también se pueden utilizar para sistemas de bombeo de agua, estos sistemas están constituidos casi por los mismos componentes de los aerogeneradores de gran potencia.

1.2.2 Aerogeneradores de media potencia.

Estos tienen al igual que los de baja potencia aplicaciones para la generación de energía eléctrica y sistemas de bombeo de agua, la potencia que pueden generar anda alrededor de 150 KW. En este caso como la generación es mayor se pueden conectar a la red eléctrica principal, o también se puede utilizar junto con un motor diesel para alimentar una red local., dentro de los sistemas de bombeo no se tiene problemas si se seleccionan los depósitos adecuados de almacenamiento.

1.2.3 Aerogeneradores de gran potencia.

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Figura 1.8. Aerogenerador de baja Potencia.

1.2.4 Elementos básicos.

Los aerogeneradores de eje horizontal y de gran potencia están formados por los siguientes subsistemas.

Rotor.

Tren de potencia. Generador eléctrico.

Subsistema de orientación al viento. Subsistema de regulación de potencia. Subsistemas de seguridad.

Chasis principal o góndola. Torre

Un aerogenerador capta la energía cinética del viento por medio de un rotor aerodinámico y lo transforma en energía mecánica en el eje de rotación, esta energía se transmite al generador eléctrico de esta manera en aerogenerador transforma la energía eólica en electricidad.

Un rotor esta conformado por lo regular de dos o tres palas, para maquinas de entre 300 KW y 1500 KW, la velocidad en el extremo de la pala se limita a velocidades de 42 y 86 m/s y en un promedio de 64 m/s, lo que corresponde en velocidades angulares a 19 y 65 r.p.m. y en promedio a 34 r.p.m., por lo consiguiente si se utilizan generadores eléctricos convencionales estos operan a velocidades altas que varían de 1200 a 1800 r.p.m., debido a esto es necesario utilizar cajas de engranes multiplicadores para efectuar el acoplamiento de rotor con el generador.

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La regulación de potencia es indispensable ya que esto evitara que el aerogenerador sufra daños físicos, para la regulación de la potencia de utilizan varios métodos como el uso de sistemas pasivos el cuan consiste en el diseño de palas fijas las cuales abaten aerodinámicamente la velocidad angular del rotor a partir de una velocidad especifica del viento, este tipo se utiliza por lo general en los sistemas de baja potencia, para los aerogeneradores de media y gran potencia se utilizan servomecanismos que controlan el ángulo en que el perfil aerodinámico de las palas se presenta al viento. Los aerogeneradores por lo regular cuentan con sistemas de seguridad para prevenir daños en su estructura o daños humanos.

El tren de potencia, el generador eléctrico, y todos los componentes ya mencionados van montados en el chasis principal, el cual es soportado por la torre, estos se encuentran interconectados por medio de un mecanismo el cual se encarga de orientar el aerogenerador. La superficie de la tierra ocasiona una variación del viento en el plano vertical, por esta razón el rotor se sitúa a una altura considerable con respecto a la superficie terrestre, entre mas altura tenga el rotor se captara mas energía, sin embargo al aumentar la altura de la torre el precio de esta se incrementa, en el parque eólico prototipo la venta las torres de los aerogeneradores alcanzan 31 metros de altura, y en general se utilizan torres entre 41 y 90 metros.

El grafico de la curva de potencia representa la potencia proporcionada por el aerogenerador, en este se relaciona la potencia eléctrica que entrega el sistema con la velocidad del viento a la altura del centro del rotor. La figura 1.9 muestra una curva de potencia nominal de un aerogenerador de 1 KW, estas curvas se utilizan como dato de entrada para estimar la cantidad de energía eléctrica que un aerogenerador especifico produciría al operar bajo un régimen de viento dado, en la curva mostrada en la figura 1.9 se presentan cuatro puntos, estos representan la respuesta operacional de los aerogeneradores a continuación se define cada uno de ellos:

• Vi velocidad de arranque o inicio: Velocidad del viento a la cual un aerogenerador empieza a producir energía eléctrica.

• Vn velocidad nominal: Velocidad del viento a la cual se alcanza el valor nominal de potencia del generador eléctrico.

• Vs velocidad de parada o salida: Velocidad del viento a la cual un aerogenerador tiene que ejecutar un paro forzado para no operar por arriba de sus límites máximos de diseño.

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Figura 1.10. Potencia eléctrica en función de la velocidad del viento.

• Vss velocidad de supervivencia: La velocidad del viento arriba de la cual el rotor de un aerogenerador puede sufrir daños permanentes a un que se encuentre frenado.

La curva de potencia de un aerogenerador se obtiene mediante la adquisición de una considerable cantidad de datos de la velocidad del viento la cual es referida a la altura del centro del rotor y de la potencia eléctrica de salida. En la figura 1.10 se puede observar los datos en forma cruda para poder obtener la curva de potencia de un aerogenerador [1.5].

1.3 Componentes de los aerogeneradores de gran potencia.

Los aerogeneradores que producen energía eléctrica consisten básicamente de las palas que rotan alrededor de un buje o cubo. El buje esta conectado a una caja de engranes y a un generador lo cual se encuentra dentro de la góndola como se puede ver en la figura 1.11, en la carcasa también se encuentran algunos componentes eléctricos y estos se encuentran montados en la parte superior de la torre. La corriente eléctrica se distribuye a un transformador y de ahí a la red eléctrica.

A continuación se enlistaran los principales subsistemas que forman un aerogenerador de eje horizontal, y posteriormente se dará unas descripción mas detallada de cada componente.

Rotor.

Caja de engranajes. Generadores eléctricos.

Sistemas de regulación de potencia y de velocidad. Sistemas de orientación.

Sistemas de conexión a red. Sistemas de seguridad.

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Figura 1.11. Componentes de un aerogenerador moderno.

En la actualidad existen muchos conceptos de diseño diferentes de los aerogeneradores en los cuales se utilizan comúnmente dos o tres palas.

1.3.1 Palas.

Los aerogeneradores son diseñados para extraer la potencia de las corrientes de viento, las palas tienen una superficie con la cual extraen la fuerza del viento por la fuerza de levantamiento causada por una diferencia de presión entre los lados de la pala. Para una máxima eficiencia normalmente se agrega a la forma de la pala un ángulo y una curvatura. Como se puede observar en la figura 1.12 [1.6].

Figura 1.12. Pala de un aerogenerador moderno.

1.3.2 Materiales.

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a) Resistencia estructural. El material utilizado debe soportar las cargas máximas predecibles que pueden ocurrir, dentro del periodo de vida para el cual es diseñada.

b) Resistencia a la Fatiga. Debe soportar las cargas de fatiga producidas por las variaciones de la fuerza del viento, dentro de la vida útil calculada.

c) Peso. Este es muy importante ya que este debe ser el mínimo para que las cargas inerciales y gravitatorias sean muy pequeñas, además desde un punto de vista económico es preferible utilizar la cantidad mínima de material.

d) Rigidez. Rigidez mayor que la mínima necesaria para evitar inestabilidades.

e) Fabricación. Facilidad en la manufactura, es decir que exista equipo y maquinaria disponibles para la construcción de la pala con el material elegido, este punto es muy importante ya que si el material sea muy recomendable pero el proceso de fabricación es costoso esta material no podrá ser elegido para la construcción de la pala.

f) Resistencia al medio ambiente. Debe de contar con resistencia a la corrosión en los diferentes medios, a la degradación por la radiación solar.

Con las características que se acaban de mencionar se puede observar la importancia de la selección del material para la construcción de la pala enseguida se mencionan algunos materiales que se puede emplear, los cuales como se podrá observar cuentan con algunas de las características ya mencionadas.

La madera históricamente utilizada en la aeronáutica para la construcción de palas de los rotores propulsores de los aviones, esta tiene una baja densidad buena resistencia a la fatiga y a la deformación, las desventajas de este material es que se humedece con facilidad y el costo de proceso es alto, en la actualidad este se utiliza en aerogeneradores de tamaño pequeño.

En la actualidad y con los avances en el estudio de los materiales se utiliza la fibra de vidrio reforzada con plástico, con lo cual se pueden construir palas de aerogeneradores muy grandes, la fibra de vidrio se puede reforzar con poliéster o epoxy. Aun que la resina de poliéster es mas barata existen ventajas al utilizar resinas epoxicas ya que en peso esta es mas ligera en un 30 % con respecto al poliéster

Otra opción en el material de construcción de las pala es la utilización de fibra de carbono reforzada con plástico, sin embargo este material es muy caro para este tipo de aplicaciones el cual es mas factible utilizarlo para aplicaciones aeroespaciales donde el costo se puede justificar.

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Retomando los materiales compuestos por fibra de vidrio y poliéster, estas son muy atractivas en la construcción de las palas debido a la versatilidad de formas de fabricación ya que este material es muy noble a la hora de modelar, este puede adoptar las formas que uno desee, pudiendo distribuir el espesor y la resistencia de acuerdo a como el diseñador de la pala lo exija.

Otra ventaja de los materiales de fibra de vidrio es su bajo coeficiente de dilatación y conductividad eléctrica, respecto a la fatiga este tipo de materiales es superior con respecto a otros materiales convencionales, sin embargo no existen suficientes datos para conocer a detalle cuál es su resistencia a fatiga, sobretodo cuando se agregan los agentes ambientales.

Algunos inconvenientes que existen en la utilización de los materiales compuestos para la construcción de las palas podemos mencionar que la materia prima es cara aun excepto la fibra de vidrio, los procesos de fabricación no son estándar, comportamiento estructural no intuitivo, y la falta de bases de datos fiables de características mecánicas.

La figura 1.13, ilustra el diámetro de los aerogeneradores en función de su potencia nominal para el escenario comercial. Existen pequeñas diferencias respecto a lo que se muestra en la anterior, debido a diferencias entre las velocidades nominales de diseño, es decir, la velocidad de viento a la cual el aerogenerador alcanza su potencia nominal.

Como ejemplo, se ofrecen comercialmente aerogeneradores de 750 kW con diámetros de 44 metros, mientras que simultáneamente se ofrecen aerogeneradores de 600 kW con diámetros de 48 metros. En este caso, el aerogenerador de 750 kW con un diámetro de 44 metros tiene una velocidad nominal superior a la del aerogenerador de 600 kW con un diámetro de 48 metros, y por lo tanto, sus curvas de potencia son diferentes. De ahí que, para rangos de capacidad cercanos, una potencia nominal mayor de un aerogenerador no necesariamente implique que éste producirá más energía que otro de menor potencia nominal cuando ambos operan bajo un mismo régimen de viento. Por lo tanto, la selección técnica de un aerogenerador, en cuanto a producción de energía, exige el conocimiento detallado del régimen de viento en el que operará y la aplicación de metodologías adecuadas [1.4].

1.3.3 Número de Palas.

Desde el inicio de la utilización del viento para generar potencia se han utilizado dos o tres palas en los aerogeneradores. Aun que existen muchos prototipos con 2 palas, el concepto de tres palas ha sido el mas utilizado en años recientes.

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.

Figura 1.13. Tamaño de rotores eólicos.

Los aerogeneradores de tres palas producen menos contaminación acústica, aun que en teoría un aerogenerador de dos palas resultaría mas económico en este tipo de aerogeneradores se producen fuerzas adicionales que se transmiten al cubo del rotor, al eje de baja velocidad, al bastidor y la torre, estas fuerzas se deben principalmente, a la diferencia entre las cargas por viento que experimentan las palas cuando una de ellas apunta hacia arriba y la otra hacia la base de la torre. Esto conduce a reforzar los elementos estructurales, y por consecuencia, al incremento de su costo.

1.3.4 Cubo o buje

El cubo es el elemento donde se unen las palas y se transmite la potencia captada por el rotor hacia el eje principal. Si el rotor esta compuesto por dos o tres palas en buje puede ser de dos tipos:

El primer tipo es rígido y se utiliza en los aerogeneradores de tres palas, este consiste en una estructura metálica hueca, esta se construye normalmente de fundición de acero nodular. Se diseña para acoplase de forma rígida al eje principal del aerogenerador, su geometría permite un acoplamiento firme de las palas a través de pernos roscados. En la figura 1.14, se puede observar el cubo de un aerogenerador de tres palas.

Para los aerogeneradores con dos palas se utiliza el tipo basculante el cual permite un ligero movimiento de las palas en dirección perpendicular al plano del rotor, los bujes basculantes se diseñan para permitir un desplazamiento angular de 2.5 grados respecto al plano normal del eje de rotación, con esto se reducen las cargas dinámicas.

1.3.5 Nariz.

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Figura 1.14. Cubo rígido de un aerogenerador de tres palas.

1.3.6 Caja de engranes

La caja de engranes se encarga de multiplicar la velocidad recibida por el rotor. Se busca que la caja de engranes para aerogeneradores tenga una relación óptima entre su capacidad de carga, su tamaño y su peso, estas deben operar con gran eficiencia y emitir poco ruido. Por su función, las cajas de engranes deben ser fiables y fáciles de mantener.

Usualmente, la lubricación en la caja de engranes de un aerogenerador se realiza por salpicadura y solamente se proveen medios para mantener la temperatura del lubricante dentro de los valores recomendados. Durante mucho tiempo se utilizaron cajas de engranes del tipo ejes paralelos. Ahora hay una tendencia a utilizar cajas del tipo planetario porque son más compactas, pesan menos, emiten menos ruido y en condiciones de carga parcial tienen una eficiencia mayor. En las figura 1.15, se pueden ver las cajas de engranes de ejes paralelos y del tipo planetario.

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1.3.7 Generador.

El generador del aerogenerador convierte la energía mecánica a energía eléctrica. Los generadores mas comunes en las turbinas eólicas son los de inducción, algunas veces llamados generadores asíncronos, otro tipo de generadores son los síncronos.

Los generadores asíncronos son motores de inducción que se utilizan en forma inversa haciéndolos girar a una velocidad mayor que su velocidad de sincronismo. Cuando a un motor de inducción, conectado a la red eléctrica, se le hace girar por encima de su velocidad de sincronismo, mediante la aplicación de un par motriz en su eje de rotación, la potencia mecánica aplicada se transforma en energía eléctrica.

Existen dos tipos de generadores asíncronos que se han utilizado para la integración de aerogeneradores: el tipo jaula de ardilla y el tipo rotor devanado. Los del tipo jaula de ardilla son los más utilizados debido que su precio es bajo, requieren poco mantenimiento, son robustos y se pueden conectar directamente (a través de protecciones y medios de desconexión adecuados) a la línea eléctrica a la que entregarán energía. El generador de inducción de rotor devanado se utiliza con muy poca frecuencia en la integración de aerogeneradores. Su principal ventaja es la facilidad de implementar métodos de conexión a línea más sencillos y fiables. En la figura 1.16, se ve un generador del tipo asíncrono de rotor devanado.

Los generadores síncronos como el que se ve en la figura 1.17, no son muy apropiados para integrar aerogeneradores de velocidad constante ya que cuando se conectan directamente a la línea eléctrica resulta un sistema demasiado rígido en cuanto a su relación par velocidad. En aerogeneradores, la velocidad constante tiene la desventaja de originar cargas dinámicas importantes que exigen su construcción con estructuras robustas. Además, sus rotores trabajan a una eficiencia menor que aquella para la que fueron diseñados: a velocidad constante, la relación de la velocidad de punta de pala a la velocidad del viento, varía. Solamente existe un valor de para el cual la eficiencia del rotor es máxima. En otras palabras, si su velocidad de operación no estuviera limitada por la frecuencia de la red extraerían más energía del viento [1.3].

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Figura 1.17. Generador síncrono de baja velocidad.

1.3.8 Sistemas de regulación de potencia y de velocidad.

Los aerogeneradores se diseñan para producir energía eléctrica lo más económicamente posible. Puesto que las velocidades del viento raramente exceden 15 m/s, generalmente se diseñan los aerogeneradores para dar un máximo rendimiento a una velocidad alrededor de 10-15 m/s. Cuando el aumento de velocidad del viento va más allá de la velocidad permitida de la turbina, el mecanismo de mando del rotor limita la potencia trazada del viento para mantener el troqué del tren de paso constante. Para evitar daño al generador y los esfuerzos mecánicas excesivos, la turbina eólica se apaga al alcanzar una velocidad predeterminada, esta aproximadamente es 25 m/s. Esto se consigue regulando la potencia y velocidad del viento, lo cual es muy complejo, en la actualidad existen dos métodos para el control de la potencia:

1. Variación del ángulo de paso de las palas. 2. Control por desprendimiento de flujo.

El primer método es el manejo del ángulo de paso de las palas de un rotor, este consiste en hacerlas girar simultáneamente todas sobre su eje radial. Los mecanismos que actúan sobre la raíz de las palas se encuentran ubicados dentro del cubo del rotor. La fuerza motriz para realizar el movimiento se puede hacer a través de mecanismos impulsados por dispositivos hidráulicos o eléctricos [1.2].

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Figura 1.19. Ángulos de incidencia en el perfil de una pala.

Los mecanismos eléctricos suelen ser sistemas individual es montados en la raíz de la pala, este tipo de mecanismos están integrados básicamente por un moto reductor acoplado a una corona en la base de la pala, los mecanismos hidráulicos se montan sobre el chasis principal, su operación modifica simultáneamente el paso de todas las palas. Estos sistemas se construyen con base en una unidad hidráulica y un servomotor que mueve linealmente una barra actuadora que pasa a través del interior del eje principal hasta el cubo del rotor, en la figura 1.18, se puede observar el servomotor mecanismo hidráulico para el control de paso.

Si varía el ángulo de paso α (ángulo que se forma entre la cuerda del perfil aerodinámico en la punta de la pala y el plano de rotación esto de ve en la figura 1.19), el ángulo con el que el viento incide sobre el perfil variará, por lo que, también lo harán las fuerzas de resistencia y sustentación, actuando al mismo tiempo sobre la potencia producida. La contribución de un elemento de pala a la fuerza tangencial en el plano del rotor, es función del ángulo de ataque (i), al igual que la fuerza axial. Existen factores adicionales a lo anteriormente expuesto que influyen en la respuesta dinámica del rotor: en la práctica, la velocidad del viento (V) cambia continuamente, además de que en el comportamiento dinámico, las características del rotor pueden ser influidas por el grado de flexión de las palas, por la inercia del rotor, por la respuesta de flujo alrededor de la pala, por la falta de alineación del rotor al viento y por la suciedad que se adhiere a las palas. Esto da una idea de la complejidad de la respuesta dinámica de los rotores.

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Figura 1.20. Desprendimiento de flujo sobre un perfil aerodinámico.

Figura 1.21. Configuraciones respecto al viento.

1.3.9 Sistemas de orientación.

Con el fin de extraer del viento la máxima energía el aerogenerador cuenta con un sistema de orientación el cual mantiene el rotor en un plano perpendicular a la dirección del viento.

Dependiendo de si la torre se interpone entre el plano del rotor y el viento incidente o no, se presentan dos configuraciones distintas (estas configuraciones se ven en la figura 1.21):

1. Viento arriba (barlovento), el viento pasa primero sobre el rotor y después sobre la torre del aerogenerador.

2. Viento abajo (sotavento), el viento pasa primero sobre la torre y después sobre el rotor.

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Figura 1.22. Servomecanismo para orientación de rotores viento arriba.

Normalmente el subsistema se encuentra habilitado, además, con un freno mecánico. El servomecanismo responde a señales de control que son generadas por el controlador electrónico del aerogenerador, en respuesta a la medición de la dirección del viento (por medio de veletas), este sistema opera mediante estadísticas de medición, es decir solo cambia de dirección cuando el algoritmo de control lo considera necesario.

La segunda configuración es muy poco utilizada debido a que cuando una de las palas pasa por la “sombra eólica” de la torre se originan fuerzas adicionales sobre el eje del rotor. Estos utilizan una técnica de orientación pasiva, esta técnica está basada en el concepto de conicidad del rotor y en una flexibilidad mayor de las palas [1.3].

1.3.10 Sistemas de conexión a red.

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1.3.11 Sistemas de seguridad.

Los dispositivos de seguridad son instalados en los aerogeneradores para proteger tanto el equipo como al personal del parque eólico, los dispositivos de seguridad se activan cuando:

• Los vientos son mayores que la velocidad de salida,

• La velocidad de rotación esta por arriba del máximo aceptable,

• Existe alguna falla en la línea de interconexión, es decir, existe perdida de carga

• Existe un exceso de vibraciones

• La temperatura esta arriba de la permitida.

• Existe perdida de presión en los controladores hidráulicos.

Como el viento no es controlable, pueden ocurrir situaciones de mala operación del aerogenerador para lo cual el equipo cuenta con paros forzados que pueden ser activados por las siguientes situaciones:

• Cuando el problema se presenta en la medición de las variables se activa un controlador electrónico local, el cual ejecuta un paro suavizado.

• Si el problema requiere de una acción inmediata y por el carácter del problema no se puede confiar en el control electrónico, como el exceso de vibraciones, se toma una acción directa de elementos específicos.

• Cuando el operador lo requiere, quizá para hacer alguna labor de mantenimiento o en algún accidente.

Figura 1.23. Frenos de disco.

Algunos medios que se utilizan para llevar acabo el paro forzado son:

• Freno de disco, este se utiliza principalmente como un freno auxiliar en el caso de que el aerogenerador cuente con control de ángulo de paso de las palas, este se aplica después que la velocidad de rotación del rotor se redujo considerablemente, y por lo tanto el par motor es menor, en los aerogeneradores con caja de engranes es recomendable instalar el freno de disco en el eje principal del rotor, es decir sobre el eje de baja velocidad, ya que de esta forma se evita que la caja de engranes sea sometida a grandes esfuerzos, este tipo de freno se muestra en la figura 1.23 (a).

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• Control de ángulo de paso de las palas. Cundo el aerogenerador tiene este tipo de dispositivos instalado, este se asigna como el frenado principal del sistema, en este caso se amplía su rango de operación para que sea posible colocar la cuerda del elemento de punta de pala en una posición casi paralela con la dirección del viento a lo que se le conoce como “posición de bandera”, en este caso se utiliza el freno que se muestra en la figura 1.23 (b).

• Frenos aerodinámicos (dispositivos de punta de pala). Estos dispositivos los utilizan algunos aerogeneradores para reducir aerodinámicamente la velocidad del rotor antes de aplicar el freno de disco, este dispositivo es una sección en la punta de la pala que se puede girar hasta 900, con objeto de que la superficie se oponga aerodinámicamente al giro del rotor, este tipo de frenado se puede apreciar en la figura 1.24.

Figura 1.24. Frenos aerodinámicos.

1.3.12 Controladores electrónicos locales.

Los aerogeneradores que se encuentran en las centrales eólicas como la central prototipo la Venta cuentan con un sistema electrónico dedicado al control y a la adquisición de datos, cada aerogenerador tiene su propio sistema, las funciones principales del sistema son:

• Controlar los procesos de inicio de operación y de conexión a la línea eléctrica.

• Controlar la regulación de velocidad y potencia de salida.

• Controlar la orientación del rotor con respecto a la dirección del viento.

• Controlar los procesos de paro forzado.

• Controlar los elementos auxiliares dedicados a mantener las mejores condiciones de operación normal.

• Ser la interfaz local entre el operador y la máquina.

• Adquirir y procesar los datos del comportamiento operacional de cada aerogenerador.

• Mantener la comunicación con los centros de supervisión en centrales eléctricas.

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• Velocidad y dirección del viento.

• Velocidades angulares.

• Temperaturas.

• Presión.

• Ángulo de orientación.

• Vibraciones.

• Estados operativos.

• Parámetros eléctricos.

1.3.13 Elementos de acoplamiento mecánico.

En un aerogenerador los componentes del sistema de transmisión están sujetos a fluctuaciones torsionales, desplazamientos axiales y desalineación entre los ejes cuando este se encuentra en funcionamiento. Estos efectos se deben minimizar, esto con el fin reducir esfuerzos y prolongar la vida útil de los componentes. Para ello se utilizan diversas técnicas que dependen del diseño y configuración específica del aerogenerador. En aerogeneradores que cuentan con una caja de engranes en el tren de potencia, la conexión mecánica al generador eléctrico se realiza mediante una barra de torsión provista de juntas homocinéticas en ambos extremos, y un acoplamiento de fricción en el extremo del generador eléctrico, este acoplamiento se ilustra en la figura 1.25 [1.3].

Figura 1.25. Acoplamiento de fricción.

1.3.14 Chasis principal y estructura soporte.

El chasis contiene los componentes importantes del aerogenerador, incluso la caja de engranes y el generador eléctrico. La estructura soporte generalmente se hace de acero. En aerogeneradores modernos, el personal de servicio puede entrar en el chasis de la torre de la turbina. Usualmente, el chasis principal está construido a partir de perfiles estructurales de acero soldados y placas de fibra de vidrio. Este elemento es el principal receptor de las fuerzas generados durante el frenado, ya que sobre él se montan los elementos de fricción que actúan sobre el disco del freno. Su dimensión y peso depende de las cargas que debe soportar. Su diseño parte de la fuerza general relacionado con la reducción de masa y volumen del conjunto. Sobre este chasis va colocada una cubierta general cuyo propósito es proteger a los componentes del sistema contra los efectos del medio ambiente [1.3].

1.3.15 Torre.

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diseñarse de dos formas, dúctil o rígida. Una torre regida tiene una frecuencia natural que esta arriba de la frecuencia de la pala. Una dúctil es mas ligera y económica pero tiene que resistir más movimiento y por lo cual sufre altos niveles de esfuerzo.

1.3.15.1 Torres de acero tubular

En la actualidad las torres mas modernas están construidas con acero y tienen forma cónica. La forma tubular permite el acceso dentro de la torre, lo cual es bueno en las temporadas de lluvia. Las torres se manufacturan en secciones de 20 a 30 metros.

En estas se pueden integrar en ella medios muy seguros para que el personal de mantenimiento suba a la góndola. En cuanto a su aspecto estético es agradable y moderno. Su instalación es fácil y rápida al tiempo que requieren poco mantenimiento. Sin embargo, tienen un costo relativamente alto, su fabricación requiere maquinaria especializada, y su transporte es más difícil y costoso.

1.3.15.2 Torres de celosía.

Este tipo de torres son ensambladas con soldadura o atornilladas y formadas de perfiles de acero, estas son baratas pero son poco estéticas y el acceso a la carcasa es expuesto, estas torres son raras de encontrar sin embargo se pueden encontrar en el desierto de California. Este tipo de torres requiere de mucho mantenimiento, son rígidas y requieren de un medio adicional para la instalación del equipo electrónico de piso.

Ambos tipos de torres se aprecian en la figura 1.26 [1.3].

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1.4 Referencias

[1.1] David A.: Wind Turbine Technology. The American Society of Mechanical Engineers 1994. Capítulo 12

[1.2] Subgerencia Regional Hidro-Grijalva:. Energía Eólica. Reporte técnico. Centra Eolo eléctrica La Venta, Oaxaca 2005.

[1.3] Delgado Pablo.: Eólica. Agencia de Gestión de Energía de la Región de Murcia 2002 Capítulo 3,5.

[1.4]. Cristóbal Juan: Diseño y construcción de un prototipo de generador eólico de eje vertical. Memoria Técnica 2004.

[1.5] J.M Escudero López: Manual de energía eólica. Ediciones Mundi-Prensa 2004 Capítulo 5.

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CAPÍTULO II

ANÁLISIS DINÁMICO DE LA PALA

UTILIZANDO ANSYS