ENERGÍA EÓLICA E HIDRÁULICA

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ENERGÍA EÓLICA E HIDRÁULICA

Lección 5:

Descripción de los sistemas

eólicos

Damián Crespí Llorens

Máquinas y Motores Térmicos Ingeniería Mecánica y Energía

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Lección 5:

Descripción de los sistemas

eólicos

Parte I

1.Clasificación de los rotores eólicos y elementos de un sistema eólico 2.Sistemas eólicos de gran potencia. Parte II 2.3. Transmisión 2.4. El generador

2.5. Sistemas de control de potencia 2.6. Sistemas de frenado

2.7. Sistema de adquisición y control 2.8. Sistema de orientación

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Índice

Lección 5:

Descripción de los sistemas

eólicos. Parte I

1.Clasificación de los rotores eólicos y elementos de un sistema eólico

2.Sistemas eólicos de gran potencia. Partes. 2.1 El Rotor

(4)

Clasificación de los sistemas eólicos

● Según potencia

● Principio de funcionamiento ● Número de palas

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¿Qué sistemas eólicos se han

empleado?

Savonius

Darrieus Tripala

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Savonius

● Desarrollada en Finlandia por S.J. Savonius (1931) ● Características generales:

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Savonius

● Aplicaciones: Bombeo de agua, ... ● Ventajas:

– Arranca con mucha facilidad. – No necesita orientación.

● Inconvenientes:

– Peso de los materiales

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Darrieus

● Máquina de eje vertical ● Diseñada en 1931 por

Darrieus, aunque se retomó en 1974.

(9)

Darrieus

● Necesita motor de arranque

● Principio de funcionamiento

V: Velocidad del viento U: Velocidad del perfil W: velocidad relativa del desde el perfil

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Darrieus

● Características generales

– Rotor: 17m alto x 17m diámetro – Giro: 60 rpm a 12 m/s de viento – Potencia: 60 kW

● Ventajas:

– No necesita stma orientación

– Forma de cuerda: trabaja en tensión

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Tipos de Máquinas Eólicas

● Sistemas de pequeña potencia

– 0 - 100 kW.

– Sistemas aislados de la red:

casas de campo, granjas, estaciones meteorológicas, poblados.

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Tipos de Máquinas Eólicas

● Sistemas de media potencia

– 100 - 300 kW.

– Producción de electricidad y otros

procesos industriales

– Se asocian generalmente a otros

sistemas de producción de energía (sistemas híbridos).

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Tipos de Máquinas Eólicas

● Sistemas de gran potencia

– 300 kW - 5 MW.

– Producción de electricidad

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Índice

Lección 5:

Descripción de los sistemas

eólicos. Parte I

1.Clasificación de los rotores eólicos y elementos de un sistema eólico

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(17)

Partes de una aeroturbina

● Rotor ● Sistema de transmisión ● El generador eléctrico ● Sistemas de control de potencia ● Sistemas de frenado ● Sistema de control ● Sistema de orientación ● Elementos estructurales

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Índice

Lección 5:

Descripción de los sistemas

eólicos. Parte I

1.Clasificación de los rotores eólicos y elementos de un sistema eólico

2.Sistemas eólicos de gran potencia. Partes.

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ROTOR

● Fuerza motriz: SUSTENTACIÓN (principalmente)

¿Cuáles son los parámetros

fundamentales?

(20)

ROTOR

(21)

ROTOR

LIMITE DE BETZ (0,59) No se alcanza

¿PORQUÉ?

(22)

ROTOR: pérdidas

● Pérdidas:

– Fricción (drag ó resistencia)

– Pérdida por desprendimiento (Stall) – Rotación de la estela

(23)

ROTOR: velocidad de rotación

Un valor de λ≈7 → Cp máximo

Rotor tripala

● ¿Cómo afecta la velocidad de rotación a la

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ROTOR: velocidad de rotación

Un valor de λ≈7 → Cp máximo

Rotor tripala

potencia?

La velocidad de giro más adecuada:

● Para cada Vo → λ más

(25)

ROTOR: velocidad de rotación

(26)

¿Porqué cae Cp para

λ altos?

Porque nos alejamos del óptimo para el factor de inducción axial.

(27)

¿Porqué cae Cp para

λ altos?

¿Qué es el factor de inducción axial?

El viento incide sobre las palas

● Par de rotación

● Fuerza axial Reacción: F. palas

sobre aire

Frena el flujo

a: factor de inducción axial

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¿Porqué cae Cp para

λ altos?

Para un rotor, el coeficiente de resistencia axial:

Valor óptimo: , a=1/3

σ: solidez = Área efectiva del rotor / Área de barrido

C _Daxial=8/ 9

(29)

¿Porqué cae Cp para

λ altos?

1)Velocidad de giro alta, 2 o 3 palas

– ↓↓ _{Par en el eje}_.

● Eje transmisión menos robusto

● Caja engranajes menor relación de

transmisión C _Daxial C _p λ λ 1 pala 5 palas

(30)

¿Porqué cae Cp para

λ altos?

1)Velocidad de giro alta, 2 o 3 palas

– ↓↓ _{Par en el eje}_.

● Eje transmisión menos

robusto

● Caja engranajes menor

relación de transmisión En la práctica σ≈0,1

λ_diseño≈8,5

(31)

ROTOR

● ¿A qué velocidad gira? ....

– Máquinas de gran potencia: 20 -

30 rpm

– Máquinas de pequeña potencia:

100 - 300 rpm – Objetivo: ● Máxima potencia ● Limitando el ruido ● Limitando necesidades estructurales.

(32)

ROTOR

¿Cuántas palas?

● Una pala: – Poco comunes, – más baratos, – necesitan compensación, – menos potencia,

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ROTOR

¿Cuántas palas?

● Dos palas: – Mayor potencia, – problemas estructurales – necesitan buje basculante – Ruido

(34)

ROTOR

¿Cuántas palas?

● Tres palas: – más habituales, – mayor potencia, – sistema más compensado

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Rotor: ¿Qué partes tiene?

Requisitos principales:

● Resistencia estructural y a fatiga ● Rigidez ● Ligero ● Fabricación Corrosión Peso ● Ligeros ● Resistentes ● Fabricación muy versátil

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Rotor: ¿Qué partes tiene?

Requisitos principales:

(37)

(38)

(39)

ROTOR: palas

● Maximizar L/D

OTROS FACTORES:

● Resistir la amplia gama de

cargas de viento ● Condiciones climáticas severas ● Minimizar la influencia de partículas adheridas ● ↓↓ ruido ● ↓↓ peso ● ↓↓ costo

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ENERGÍA EÓLICA E HIDRÁULICA

Lección 5.2:

Descripción de los

sistemas eólicos (parte II)

(41)

Índice

Lección 5: Descripción de los sistemas eólicos. Parte II (2. Sistemas eólicos de gran potencia. Partes)

2.3. Transmisión 2.4. El generador

2.5. Sistemas de control de potencia 2.6. Sistemas de frenado

2.7. Sistema de adquisición y control 2.8. Sistema de orientación

2.9. Torre

2.10. Cimentación

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● Se diseña para:

Transmisión

Rel. Trans: 1:40

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56

Transmisión: tipos de engranajes

Ejes planetarios (57%):

● más compactos, ● menos pesados, ● menos ruido,

● mayor eficiencia a carga parcial, ● más caros

(44)

No es común (5%)

El generador es de diseño Específico → Caro,

(45)

59

(46)

¿Qué generadores se emplean en

máquinas eólicas?

(47)

61

¿Cómo funciona un generador

asíncrono?

● motor de inducción conectado a red→ aplicamos

un par para girar por encima de la velocidad de sincronismo → Produce electricidad

● jaula de ardilla → más utilizado (costes, robusto, ↓

mantenimiento

● Velocidad de giro: impuesta por la red

– Para elevar la potencia del generador desde 0 hasta

Pnominal → ↑ ω en 1 r.p.m.

– Forzar un giro mayor → sobrecalentamiento y avería.

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¿Cómo se utiliza un generador

asíncrono en una turbina eólica?

● Conexión/ desconexión a la red

1.Generador+Rotor gira libre en función del viento 2.Cuando el gen+rotor supera ligeramente ωsinc

3.Conexión del generador a la red → producción de energía a la frecuencia de red.

4.Si viento disminuye, se desconecta para no consumir → situación 1.

(49)

63

¿Cómo se utiliza un generador

asíncrono en una turbina eólica?

● Implicaciones de ω= cte

– Cargas dinámicas → necesidad de estructuras

robustas.

– ¡Eficiencia del rotor no es máxima!

Dada Vo

Solo hay un valor de ω que hace Cp máxima

(50)

¿Cómo se puede minimizar el

impacto de ω= cte?

● Primeras soluciones: 2 generadores con

velocidad de sincronismo distinta.

● Actualmente:

– Generadores de polos conmutables → Cierta

flexibilidad.

(51)

67

¿Cómo funciona un generador

síncrono?

● ¡No se puede conectar a la red directamente! ● ¿Qué solución se adopta?

Se aplica un par

en el eje función del parfunción del parω variable en ω variable en CA de frecuenciavariable

Rectificador Inversor RED AC CC 50Hz AC ¿?Hz

(52)

Eficiencia del generador síncrono

● Velocidad variable: mayor eficiencia

● Elementos eléctricos adicionales con η<100% ● Ganancias

(53)

69

En resumen

Asíncronos:

● Velocidad de giro constante ● Robustos

● Baratos

● Los más utilizados en máquinas grandes

(54)

En resumen

Síncronos:

● Acoplamiento a la red

complicado. Investigación al respecto.

● Velocidad de giro variable → reducción de cargas dinámicas sobre los elementos de

acoplamiento.

(55)

71

¿Qué generadores se emplean en

aeroturbinas?

Fracción potencia de entrada

Potencia nominal turbina (PeR)

(56)

Sistemas de control de potencia

P

∼

V

3

(57)

73

¿Porqué controlamos la potencia?

Motivos estructurales. Intentar aprovechar las velocidades más altas supone:

● Sobredimensionar caja de transmisión.

● Sobredimensionar el generador (Pn mayor

para que no se sobrecargue).

● Costes directos e indirectos

(peso→estructura)

EFICIENCIA MENOR A BAJAS VELOCIDADES

(58)

¿Porqué controlamos la potencia?

Motivos energéticos.

● ¿Energía anual hay en los vientos fuertes?

● Vo>18 m/s → poca

probabilidad

● Sólo 4% Energía

● Para distribución de

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75

Sistemas de control de potencia

¿Qué sistemas de control existen? 1)Control por cambio de paso

2)Control por entrada en pérdida

1)Pasivo 2)Activo

(60)

Sistemas de control de potencia

Control por cambio de paso

● Control del “ángulo

de paso”: α

● Fuerzas

aerodinámicas:

ÁNGULO DE ATAQUE

(61)

77

Sistemas de control de potencia

Control por cambio de paso

● Control del “ángulo

de paso”: α

● Fuerzas

aerodinámicas:

función del ángulo de

ataque U: Velocidad de la palaV: Velocidad del viento

W: velocidad relativa del viento

ÁNGULO DE ATAQUE

EXISTEN OTRAS MUCHAS VARIABLES:

Flexión de las palas,

variación continua del viento, Falta de alineación

(62)

¿Como se cambia el ángulo de

paso?

● Sistemas hidráulicos o eléctricos

● Giro sincronizado de todas las palas, que

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80

Sistemas de control de potencia

Control pasivo por entrada en pérdida

Aerogeneradores con

ángulo de calado constante

Si aumenta el viento:

● ↑ V relativa

(64)

Sistemas de control de potencia

Control por entrada en pérdida

(65)

82

Sistemas de control de potencia

Control por entrada en pérdida

55 % utilizan este método pasivo:

● Ahorra el coste de servos. ● Estimación de pérdida energética ~ 3-5% ● Desconocimiento del flujo desprendido. ● Riesgo ● Técnica + Arte MOSTRAR VIDEO

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Sistemas de control de potencia

Control por activo por entrada en pérdida

● Mismo principio

● Pequeña rotación de las palas: controla y limita la

entrada en pérdida

● Mecanismos de rotación más simples que control por

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84

Sistemas de frenado

●

¿Cuándo actúan?

● Vientos muy elevados. ● ω superior a la máxima aceptable. ● Exceso de vibraciones. ● Tª superior a la máxima aceptable (generador, transmisión) ● Pérdida de presión en controladores hidráulicos. ● Accidentes.

(68)

Sistemas de frenado

●

Tipos

Aspas: en posición de

bandera

(69)

86

Sistemas de frenado

●

Tipos

2)

¿Porqué en ese punto? → Par motriz mucho Menor

(70)

Sistemas de frenado

(71)

88

Sistemas de frenado

●

Tipos

La punta rota: oposición

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Sistemas de frenado

●

Tipos

Utilizada en sistemas a

sotavento.

Encara turbina dirección

distinta al viento.

(73)

90

Sistema de adquisición y control

CENTRO DE SUPERVISIÓN DEL PARQUE

Cada aerogenerador: sistema SCADA propio

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Sistema de adquisición y control

Parámetros que controlan:

● Inicio de operación (Va)

● Regulación de la velocidad y la

potencia de salida,

● Orientación del rotor,

● Procesos de paro forzado, ● Elementos auxiliares...

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92

(76)

Sistema de Orientación

CORONA DENTADA

SERVOMOTOR 2 O 3 SERVOMOTORES

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94

Sistema de Orientación

Control de la orientación

● No siguen la dirección del viento con gran dinámica. ● Algoritmos de toma de decisiones: ¿Ha cambiado

realmente la dirección del viento?

● Compromiso frecuencia de reorientación

– Alta → degradación

(78)

Proceso de montaje de Góndolas

Stma Orientación Bastidor trasero Sistema hidráulico Motor de orientación Bastidor trasero Armario Control

(79)

96

Proceso de montaje de Góndolas

Montaje tren Trafo y carcasa inferior Subconjunto Eje ppal/ multiplicador Trafo Carcasa inferior

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Proceso de montaje de Góndolas

Alineado e Interconexionado eléctrico Stma de bloqueo del rotor Generador

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98

Proceso de montaje de Góndolas

Montaje carcasa superior Buje Trampilla Rejilla refrigeración Nariz

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Torre

Torre en celosía ● Más barata ● Fácil de transportar. ● Peor estética ● Acceso externo, ● Mayor mantenimiento

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100

Torre

Torre tubular

● Forma troncocónica ● Acceso interno

● Limitación debido al transporte , más peligroso. ● Relativamente cara

● Proporciona protección a equipos electrónicos ● Instalación fácil y rápida

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102

Cimentación

● El cálculo de la cimentación depende de las

cargas introducidas por el rotor eólico en las diferentes condiciones de operación.

● En terreno compacto (tensión admisible

>3kg/cm^3) se dispone una zapata hormigón prensado sobre la que se monta una virola que luego se unirá a la torre.

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Cimentación

● En terreno poco compacto es necesario

sustentar la zapata de hormigón mediante pértigas o pilotes de sujeción.

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104

Clasificación aerogeneradores /

ubicaciones

Vref: Valor máximo de la velocidad promedio del viento en un intervalo de 10 min. → Ocurre una vez cada 50 años

Iref: Valor característico de la intensidad de turbulencia. A: alta, C baja. S: Categoría especial

Vmed anual = 10m/s

Vmed anual = 7,5m/s

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Método de cálculo de Producción de

electricidad

Curva de potencia

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Factor de capacidad/planta

● Relación entre

– Energía producida

– Energía que produciría

si funcionase siempre a régimen nominal

● Valor 18% - 40%

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