Diseño Maquinas Eolicas Sin Multiplicador Etsiim Industriales

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(1)Diseño de Máquinas Eólicas sin Multiplicador Sexto Máquinas Plan 76 Gloria Erades Julian A. Durán Carlos Gonzalez Sergio Molina Luis Costero Ángel Ortiz Laura Reques. E.T.S.I.I. U.P.M.. 98484 98482 97293 00615 97323 97368.

(2) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR 1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................................ 3 1.1 PREFACIO ................................................................................................................................................... 3 1.2 HISTORIA DE LA ENERGÍA EÓLICA ...................................................................................................... 3 1.3 TIPOLOGÍA DE AEROGENERADORES EÓLICOS ............................................................................... 10 1.4 UTILIZACIÓN DEL VIENTO COMO FUENTE DE ENERGÍA .............................................................. 16 1.5 ENERGÍA APROVECHABLE DEL VIENTO........................................................................................... 20 1.5.1 COEFICIENTE DE POTENCIA.......................................................................................................... 21 1.5.2 TEORÍA DE BETZ ............................................................................................................................... 22 1.6 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA ENERGÍA OBTENIDA POR EL AEROGENERADOR ............. 23 1.6.1 DENSIDAD DEL AIRE ........................................................................................................................ 23 1.6.2 ÁREA BARRIDA POR LOS ÁLABES DEL ROTOR............................................................................. 23 1.6.3 VELOCIDAD DEL VIENTO ................................................................................................................ 24 1.7 NOCIONES SOBRE LA AERODINÁMICA DE LAS PALAS ................................................................. 25 1.8 PARTES DE UN AEROGENERADOR ..................................................................................................... 28 1.8.1 ROTOR................................................................................................................................................. 29 1.8.2 CAJA DE ENGRANAJES ..................................................................................................................... 30 1.8.3 GENERADORES ELÉCTRICOS.......................................................................................................... 31 1.8.4 SISTEMAS DE REGULACIÓN DE POTENCIA Y VELOCIDAD ....................................................... 31 1.8.5 SISTEMAS DE ORIENTACIÓN........................................................................................................... 32 1.8.6 CONEXIONES A RED ......................................................................................................................... 32 1.8.7 DISPOSITIVOS DE SEGURIDAD....................................................................................................... 33 1.8.8 ELECTRÓNICA DE CONTROL .......................................................................................................... 34 1.8.9 ACOPLAMIENTOS MECÁNICOS....................................................................................................... 35 1.8.10 ESTRUCTURA SOPORTE, CHASIS O GÓNDOLA .......................................................................... 35 1.8.11 TORRES ............................................................................................................................................. 36 1.9 ESTADO DE LA TECNOLOGÍA “SIN MULTIPLICADOR”................................................................... 36 1.9.1 COMPARACIÓN MERCADO MÁQUINAS CON/SIN MULTIPLICADOR ........................................ 37 1.9.2 ANÁLISIS DE COSTES DE LAS TECNOLOGÍAS CON/SIN MULTIPLICADOR .............................. 40 1.9.3 DISCUSIÓN ......................................................................................................................................... 41 1.10 IMPACTO AMBIENTAL......................................................................................................................... 41 1.10.1 INTRODUCCIÓN .............................................................................................................................. 41 1.10.2 IMPACTO SOBRE LA VEGETACIÓN .............................................................................................. 42 1.10.3 RUIDO ............................................................................................................................................... 42 1.10.4 IMPACTO VISUAL ............................................................................................................................ 43 1.10.5 IMPACTO SOBRE LAS AVES ........................................................................................................... 44 2. TURBINAS EÓLICAS CON GENERADORES DE CONEXIÓN DIRECTA: POSIBLES TIPOLOGÍAS DE GENERADOR .................................................................................................................... 44 2.1 INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................................... 45 2.2 GENERADOR DE INDUCCIÓN DIRECTA O ASÍNCRONO ................................................................. 45 2.3 GENERADORES TIPO SRM (SWITCHED RELUCTANCE MACHINE) .............................................. 49 2.4 GENERADORES SÍNCRONOS CON EXCITACIÓN ELÉCTRICA ....................................................... 51 2.5 GENERADORES SÍNCRONOS DE MAGNETIZACIÓN PERMANENTE............................................. 54 2.5.1 MÁQUINAS DE FLUJO RADIAL........................................................................................................ 56 2.5.1.1 Máquinas de flujo radial-longitudinal ........................................................................................... 56 2.5.1.2 Aspectos sobre el material conductor y magnético en las RFPM.................................................. 61 2.5.1.3 Máquina de flujo radial modular ................................................................................................... 62 2.5.1.4 Uso de técnicas de concentración de flujo .................................................................................... 63 2.5.1.5 Uniformización del par mediante uso de imanes curvados ........................................................... 64 2.5.2 MÁQUINA DE FLUJO RADIAL TRANSVERSAL ............................................................................... 67 2.5.3.1 Máquinas de flujo axial de imán permanente ranuradas ............................................................... 72 2.5.3.2 Máquinas de flujo axial con un estator y un rotor ......................................................................... 73 2.5.3.3 Máquina TORUS con un estator sin dentado y dos rotores.......................................................... 74 2.5.3.4 Estator con dientes y dos rotores.................................................................................................. 76 2.5.3.5 Máquina de imán permanente de flujo axial interior..................................................................... 76 2.5.3.6 Máquina de flujo axial circunferencial.......................................................................................... 77 2.6 COMPARACIÓN ENTRE DIFERENTES TIPOS DE MÁQUINAS ......................................................... 80 2.6.1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................ 80. 1.

(3) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR 2.6.2 TIPOS DE MAQUINAS ESTUDIADAS ............................................................................................... 82 2.6.3 COMPARACIÓN DE DATOS ENTRE LAS DISTINTAS MÁQUINAS ................................................ 83 2.6.3.1 Máquina de imán permanente con flujo axial y hueco de aire (AFPM) frente a RFPM ............... 83 2.6.3.2 Máquina de imán permanente de flujo transversal (TFPM) frente a RFPM ................................. 84 2.6.3.3 Máquina RFPM con concentración del flujo frente a RFPM con imanes superficiales ............... 85 2.6.3.4 Máquinas con imanes permanentes con flujo axial interior frente a otras..................................... 87 2.6.4 RESULTADOS DE LA COMPARACIÓN DE DATOS ENTRE LAS DISTINTAS MÁQUINAS ........... 87 3. CONEXIÓN ENTRE EL GENERADOR Y LA RED DE SUMINISTRO ................................................ 88 3.1. INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................................... 88 3.2. RECTIFICADORES TRIFASICOS........................................................................................................... 90 3.2.1.RECTIFICADOR TRIFASICO DOBLE ONDA (DIODO PUENTE RECTIFICADOR)..................... 90 3.2.2. DIODO PUENTE RECTIFICADOR CON BOOST CONVERTIDOR ................................................ 93 3.2.3. PWM RECTIFICADOR....................................................................................................................... 93 3.3.INVERSOR TRIFÁSICO EN PUENTE ..................................................................................................... 94 3.4 TIPOS DE INVERSORES MAS FRECUENTES ....................................................................................... 99 3.4.1 LINE COMMUTATED INVERTER (LCI).......................................................................................... 100 3.4.2 VOLTAGE SOURCE INVERTER (VSI) ............................................................................................. 103 3.4.3 COMBINACIÓN DE INVERSORES .................................................................................................. 106 3.4.4 CONCLUSIONES RESPECTO A LOS INVERSORES....................................................................... 108 4.MODELOS DE AEROGENERADORES SIN MULTIPLICADOR ........................................................ 108. 2.

(4) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. 1. INTRODUCCIÓN 1.1 PREFACIO El objetivo del estudio que se realiza a continuación es analizar los factores principales a tener en cuenta a la hora de diseñar una máquina eólica sin multiplicador. Se comienza con un breve repaso de la historia de la energía eólica, y una clasificación de los tipos de instalaciones. A continuación se analizará la influencia que ejerce el viento en la máquina eólica. Seguidamente se estudiará más detalladamente la aerodinámica de este tipo de máquinas. En este marco, la administración juega un papel importante con la creación de infraestructuras de investigación y desarrollo (I+D). Esta I+D resulta imprescindible para dotar al tejido empresarial de recursos y capacidades necesarias para afrontar con éxito la adaptación a una dinámica de crecimiento que demanda altos niveles de actividad innovadora, en un mercado cada día más abierto y competitivo. En un sentido amplio, el lanzamiento de nuevos productos o de mayor fiabilidad y eficiencia se inicia con un proceso de innovación tecnológico, seguido por una fase de demostración y difusión, alcanzando la madurez comercial al lograr un volumen suficiente de producción. Las energías renovables, y en particular la energía eólica, se encuentran en diferentes estadios de esta cadena, que por el bien común deben consolidarse hasta llegar a constituir recursos plenamente desarrollados.. 1.2 HISTORIA DE LA ENERGÍA EÓLICA La primera y más sencilla aplicación de la energía del viento corresponde al uso de las velas en la navegación. La referencia más antigua se encuentra en un grabado egipcio que data del III milenio a.C. Los primeros ingenios eólicos debieron desarrollarse en la antigua Persia, cuyos territorios eran muy ventosos y donde se reunían los más avanzados conocimientos técnicos del momento.. 3.

(5) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. Molino Persa. Primeramente aparecieron los molinos de eje vertical: Un número determinado de velas montadas verticalmente unidas a un eje y empujadas por el aire reemplazaron el accionamiento animal para proporcionar un movimiento giratorio. Es bien conocido el hecho de que a mediados del siglo VII a.C. los molinos de viento eran máquinas bien conocidas en esa parte del mundo, aunque se tratara de diseños bastos y mecánicamente ineficientes. Los chinos utilizaban desde tiempos inmemoriales los molinos de viento llamados panémonas, que se usaban para bombear agua. También eran de eje vertical y sus palas estaban construidas a base de telas sujetas a largueros de madera. La posición de las palas podía variarse para regular la acción del viento sobre el molino. En la Edad Media el molino de viento en conjunto con el molino de agua fueron las máquinas más importantes antes de la revolución industrial. En este tiempo giraban alrededor de 200.000 molinos de viento. El siglo XVII es un siglo de grandes avances científicos y tecnológicos. Sin embargo, las innovaciones no alteraron el formato exterior de los molinos, que se mantuvo sin demasiadas modificaciones, pero en cambio mejoraron los detalles de diseño y construcción apareciendo los sistemas mecánicos de orientación y regulación.. 4.

(6) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. Las palas de los molinos anteriores al siglo XVII se construían con un entramado de varillas a ambos lados de un mástil principal, cubriéndose posteriormente con una tela. Más tarde el mástil se colocó en el borde de ataque de la pala, de forma que soportara mejor la entrada de aire. Este sistema era también el más adecuado para dotar de cierta torsión a la pala a lo largo de la envergadura, con el fin de mejorar su rendimiento aerodinámico. Las palas con torsión se desarrollaron en el siglo XVII y la incorporación de los sistemas de regulación se llevó a cabo en el siglo siguiente. Los molinos de viento evolucionaron en su desarrollo hasta mediados del siglo XIX, introduciéndose continuas mejoras tecnológicas a partir de elementos mecánicos. Las primeras bombas eólicas aparecen hacia 1854, desarrolladas por Daniel Halladay. Son rotores multipalas acoplados mediante un sistema biela-manivela a una bomba de pistón. El pionero olvidado de la turbina eólica fue Charles F. Brush (1849-1929). Durante el invierno de 1887-88 Brush construyó la que hoy se cree es la primera turbina eólica de funcionamiento automático para generación de electricidad.. Turbina Eólica de Charles F. Brush. Hacia 1890 se empieza a fabricar, con álabes metálicos, el conocido molino de bombeo americano, llegando a convertirse en el molino de viento más extendido de cuantos hayan existido. Fue en 1892, cuando el profesor Poul La Cour (1846-1908), diseñó el primer prototipo de aerogenerador eléctrico. Los trabajos de La Cour constituyeron los primeros pasos en el campo de los aerogeneradores modernos, considerándole el pionero de las modernas turbinas eólicas generadoras de electricidad. Construyó la 5.

(7) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. primera turbina eólica generadora de electricidad del mundo en 1891. Poul La Cour realizó sus experimentos de la aerodinámica de las palas en un túnel de viento construido por él mismo.. Aerogenerador de La Cour (Dinamarca). En el siglo XX el hombre comienza a utilizar la energía eólica para producir electricidad pero en principio sólo para autoabastecimiento de pequeñas instalaciones. Los primeros aerogeneradores de corriente alterna surgieron en los años 50 de la mano del ingeniero Johannes Juul, alumno de Poul La Cour, y de la compañía danesa de turbinas de F.L. Smidth.. Aergenerador bipala F.L. Smidth 1942. Concretamente en 1956 se desarrolló el aerogenerador de Gedser (Dinamarca) de 200 kW que representa la antesala de los actuales aerogeneradores.. 6.

(8) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. Aerogenerador de Gedser (1956-57). Otra máquina eólica de trascendencia fue la construida por el profesor Utrich Hutter en 1960 con una potencia de 100 kW y un diámetro de 34 m. Estas máquinas representan los comienzos de diferentes facetas en el desarrollo de la energía eólica: maquinas con potencias del orden de los megavatios y los diseños caracterizados por estructuras más livianas que todavía representan el futuro de las máquinas eólicas. Después de la primera crisis del petróleo de 1973, y al accidente de la central nuclear Chernobyl la investigación sobre el campo de la energía eólica se amplió fuertemente en las 80 y muchos países despertaron su interés en este tipo de energía. En un principio las compañías de energía dirigieron inmediatamente su atención a la construcción de grandes aerogeneradores, tomando como punto de partida el aerogenerador de Gedser. En 1979 construyeron dos aerogeneradores de 630 kW. Estos diseños resultaron extremadamente caros y, en consecuencia, el alto precio de la energía devino un argumento clave en contra de la energía eólica. Durante este periodo la mayor implantación de sistemas eólicos se produjo en EEUU. Miles de máquinas fueron instaladas en el programa eólico de California a principios de los 80.. Parque eólico de Palm Springs USA. 7.

(9) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. La Micon de 55 kW (máquina eólica de origen danés) es un ejemplo de tales máquinas, instalada en un enorme parque eólico de más de 1.000 máquinas en Palm Springs (California). En la década de los noventa se toma conciencia de la necesidad de modificar el modelo energético basado en los combustibles fósiles y la energía nuclear, por los problemas que estos causan al medio ambiente. Además gracias a un desarrollo tecnológico y a un incremento de su competitividad en términos económicos, la energía eólica ha pasado de ser una utopía marginal a una realidad que se consolida como alternativa futura y, de momento complementaria, a las fuentes contaminantes. Actualmente, las máquinas de 600 y 750 kW continúan siendo el caballo de carga de la industria, aunque el mercado de los megavatios despegó en 1998. Las máquinas del tamaño de megavatios son ideales para las aplicaciones marinas, y para las áreas donde escasea el espacio para emplazarlas, pues una máquina de 1MW explotará mejor los recursos eólicos locales.. Vestas 1,5 MW. En esa década se produjeron grandes mejoras en rendimientos, rentabilidad y fiabilidad. Hoy en día la tendencia va hasta grandes parques con muchos equipos en el mar cerca de la costa (offshore parks). Todavía quedan problemas y dificultades. 8.

(10) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. como el desarrollo de equipos de alta potencia o el impacto ambiental, pero hay un futuro prometedor en ese campo.. Offshore park (Alemania). Las estimaciones de los expertos sobre el potencial de la energía eólica offshore en Europa cubren un rango entre 5% y 30% del consumo total.. 9.

(11) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. En la siguiente figura se muestra la potencia eólica total instalada en Europa:. Potencia eólica instalada en Europa en 2003. 1.3 TIPOLOGÍA DE AEROGENERADORES EÓLICOS Dos datos de partida son fundamentales cuando tratamos de seleccionar el aerogenerador idóneo que mejor resuelva el problema que nos planteamos: •. el régimen de vientos disponible, que va fijar cuál es la máquina que más adecuadamente puede aprovechar las corrientes de viento incidentes.. •. el nivel de necesidades, esto es, la energía que deseamos obtener en un período de tiempo dado, y que va a determinar el área que debe barrer el rotor y, en definitiva, el tamaño de la máquina.. Nos centraremos en la primera de estas dos cuestiones, esto es, en los distintos tipos de rotores eólicos que podemos encontrar. Entre ellos existen diferencias de rendimiento notables, resultando cada uno más adecuado a un determinado régimen de vientos.. 10.

(12) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. Por lo general se clasifican en dos grandes bloques: •. eje horizontal: se pueden distinguir: - ejes paralelos a la dirección del viento (como los molinos convencionales) A su vez, caben dos alternativas según el rotor sea dispuesto: - en la parte anterior del eje (posición a barlovento) - en la parte posterior del eje (posición a sotavento) Bien entendido que el origen lo define el sentido del viento. Estas máquinas están constituidas por una aeroturbina tipo rotor, que acciona un alternador eléctrico.. Tipos de aerogeneradores con eje horizontal y paralelo - Barlovento o Viento arriba - Sotavento o Viento abajo. - ejes perpendiculares a la dirección del viento •. eje vertical: estos se clasifican en: - rotores por resistencia. En este grupo, la fuerza motriz utilizada tiene la dirección del viento. 11.

(13) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. - rotores por sustentación. En este grupo, la fuerza motriz utilizada tiene la dirección perpendicular del viento. En la siguiente figura:. Descomposición de la fuerza sobre la pala. se representan las fuerzas de resistencia y sustentación. Corresponde a un perfil aerodinámico inmerso en una corriente, que al perturbar el flujo crea un gradiente de presiones entre ambas caras, de las que resulta una fuerza resultante (F). Las proyecciones a que da lugar son las fuerzas. de. resistencia. (paralela. al. viento). y. de. sustentación. (perpendicular al mismo). Las ventajas de las máquinas que se mueven por fuerza de sustentación son varias: • Mayor coeficiente de potencia. • Mayores velocidades de giro, con lo que los requerimiento sobre la caja de transmisión, serán menores. • Menor empuje sobre la máquina, con lo que las cargas y los efectos de estela son menores. Dentro de las aeroturbinas de eje vertical, se pueden destacar los siguientes diseños: - Máquina de rotor tipo Savonious, cuya sección recta tiene forma de S y en la que la acción fundamental del viento sobre ella tiene el carácter de resistencia. Esta máquina tiene un rendimiento bajo, por lo que únicamente es idónea, por su simplicidad, para potencias muy pequeñas.. 12.

(14) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. Aerogenerador Darrieus y Savonious, respectivamente. Rotor Savonious. - Máquinas de rotor tipo Darrieus integrada por varias palas cuya sección recta tiene la forma de un perfil aerodinámico. Las palas están unidas por sus extremos al eje vertical, estando arqueadas en una forma similar a la que tomaría una cuerda girando alrededor del eje. Las ventajas que presentan los aerogeneradores de eje horizontal son las siguientes: •. Su rendimiento (coeficiente de potencia) es mayor que el correspondiente a los de eje vertical.. 13.

(15) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. •. Su velocidad de rotación es más elevada que la de los aerogeneradores Darrieus, por lo que requieren cajas de engranajes con menor relación de multiplicación.. •. La superficie de la pala es menor que en los modelos de eje vertical para una misma área barrida.. •. Los sistemas de sujeción de los modelos Darrieus impiden elevar la turbina tanto como en los modelos de eje horizontal. Ello da lugar a que con una misma área barrida se obtenga menor potencia en los de tipo Darrieus, por aprovecharse menos el aumento de la velocidad del viento con la altura. Como contrapartida, los aerogeneradores Darrieus tienen las. siguientes ventajas: •. Su simetría vertical hace innecesario el uso de un sistema de orientación, como ocurre con las máquinas de eje horizontal para alinear el eje de la turbina con la dirección del viento.. •. La mayoría de los componentes que requieren mantenimiento están localizados a nivel del suelo.. •. No requieren mecanismo de cambio de paso en aplicaciones a velocidad constante.. La comparación entre los aerogeneradores de eje horizontal y los de tipo Darrieus, en cuanto al número de prototipos desarrollados y a potencia unitaria de estos prototipos, es claramente favorable a los de eje horizontal. Existen otros dispositivos, más o menos ingeniosos utilizando el efecto venturi, el calentamiento solar, la vorticidad inducida o una pared deflectora. Aunque todos ellos son de mucha menor aplicación. A continuación se muestra un esquema general de los distintos tipos de aerogeneradores que se pueden encontrar:. 14.

(16) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. Clasificación de las máquinas eólicas. En la siguiente figura se muestran los rendimientos aerodinámicos de los distintos tipos de máquinas eólicas referidos anteriormente. Dichos valores están representados en función de la velocidad específica λ0 definida como λ0 = Ω R/V, siendo Ω la velocidad de giro, R el radio de la pala y V la velocidad del viento incidente sobre el rotor.. Rendimientos aerodinámicos. 15.

(17) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. 1.4 UTILIZACIÓN DEL VIENTO COMO FUENTE DE ENERGÍA Todas las fuentes de energías renovables (excepto la maremotriz y la geotérmica), e incluso la energía de los combustibles fósiles, provienen, en último término, del sol. La Tierra recibe del Sol 1,74x1017W y alrededor de un 1 a un 2 por ciento de la energía proveniente del Sol es convertida en energía eólica. El fenómeno conocido como viento está constituido por las corrientes de aire generadas a consecuencia del desigual calentamiento de la superficie de la tierra. La no uniformidad del flujo de radiación solar incidente hace que unas zonas se calienten más que otras, provocando movimientos convectivos de la masa atmosférica. El aire caliente asciende, arrastrando aire más frío proveniente de una región vecina. Al subir se enfría, por lo que aumenta su densidad, descendiendo para volver a repetir el ciclo. A altitudes de hasta 100 metros sobre la superficie terrestre, los vientos están muy influenciados por las características de dicha superficie. El viento es frenado por la rugosidad de la superficie de la tierra y por los obstáculos. Tratándose de energía eólica interesará conocer estos vientos de superficie y cómo calcular la energía aprovechable del viento. Aunque los vientos globales son importantes en la determinación de los vientos dominantes de un área determinada, las condiciones climáticas locales pueden influir en las direcciones de viento más comunes.. Movimiento convectivo en la atmósfera. Los vientos locales siempre se superponen en los sistemas eólicos a gran escala, esto es, la dirección del viento es influenciada por la suma de los efectos. 16.

(18) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. global y local. Cuando los vientos a gran escala son suaves, los vientos locales pueden dominar los regímenes de viento. Los principales efectos locales son descritos a continuación: •. Brisas marinas Durante el día la tierra se calienta más rápidamente que el mar por. efecto del sol. El aire sube, circula hacia el mar, y crea una depresión a nivel del suelo que atrae el aire frío del mar. Esto es lo que se llama brisa marina. A menudo hay un periodo de calma al anochecer, cuando las temperaturas del suelo y del mar se igualan. Durante la noche los vientos soplan en sentido contrario. Normalmente durante la noche la brisa terrestre tiene velocidades inferiores, debido a que la diferencia de temperaturas entre la tierra y el mar es más pequeña. El conocido monzón del sureste asiático es en realidad un forma a gran escala de la brisa marina y la brisa terrestre, variando su dirección según la estación, debido a que la tierra se calienta o enfría más rápidamente que el mar. •. Vientos de montaña Las regiones montañosas muestran modelos de clima muy interesantes.. Un ejemplo es el viento del valle que se origina en las laderas que dan al sur (o en las que dan al norte en el hemisferio sur). Cuando las laderas y el aire próximo a ellas están calientes la densidad del aire disminuye, y el aire asciende hasta la cima siguiendo la superficie de la ladera. Durante la noche la dirección del viento se invierte, convirtiéndose en un viento que fluye ladera abajo. Si el fondo del valle está inclinado, el aire puede ascender y descender por el valle. Este efecto es conocido como viento de cañón. Los vientos que soplan en las laderas a sotavento pueden ser bastante potentes.. 17.

(19) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. Vientos de montaña. •. Variaciones diurnas (noche y día) del viento En la mayoría de las localizaciones del planeta el viento sopla más fuerte. durante el día que durante la noche. Prueba de ello es la siguiente gráfica:. Gráfica v(m/s)-T(horas). que muestra como varía la velocidad del viento en una localidad del Mediterráneo en un día típico del mes de agosto. Esta variación se debe sobretodo a que las diferencias de temperatura, por ejemplo entre la superficie del mar y la superficie terrestre, son mayores durante el día que durante la noche. El viento presenta también más turbulencias y tiende a cambiar de dirección más rápidamente durante el día que durante la noche. Desde el punto de vista de los propietarios de aerogeneradores, el hecho de que la mayor parte de la energía eólica se produzca durante el día es una ventaja, ya que el consumo de energía entonces es mayor que durante la noche. Muchas compañías eléctricas pagan más por la electricidad producida durante las horas. 18.

(20) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. en las que hay picos de carga (cuando hay una falta de capacidad generadora barata). •. Efecto túnel Si tomamos un camino entre dos edificios altos o en un paso estrecho. entre montañas observaremos que el aire al pasar a su través se comprime en la parte de los edificios o de la montaña que está expuesta al viento, y su velocidad crece considerablemente entre los obstáculos del viento. Esto es lo que se conoce como efecto túnel.. Efecto túnel. Para obtener un buen efecto túnel, debe estar suavemente enclavado en el paisaje. En el caso de que las colinas sean muy accidentadas, puede haber muchas turbulencias en esa área, que pueden causar roturas y desgastes innecesarios en el aerogenerador. •. Efecto de la colina Una forma corriente de emplazar aerogeneradores es situándolos en. colinas o estribaciones dominando el paisaje circundante. En particular, siempre supone una ventaja tener una vista lo más amplia posible en la dirección del viento dominante en el área. En las colinas, siempre se aprecian velocidades de viento superiores a las de las áreas circundantes. Tal y como se puede observar en la siguiente figura:. 19.

(21) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. Efecto colina. el viento empieza a inclinarse algún tiempo antes de alcanzar la colina. También se aprecia que el viento se hace muy irregular una vez pasa a través del rotor del aerogenerador. Al igual que ocurría anteriormente, si la colina es escarpada o tiene una superficie accidentada, puede haber una cantidad de turbulencias significativa, que puede anular la ventaja que supone tener unas velocidades de viento mayores. De este modo, el viento, al considerarlo como recurso energético y desde el punto de vista de su disponibilidad como suministro, tiene sus características específicas: •. es una fuente con sustanciales variaciones temporales, a pequeña y gran escala de tiempo, y espaciales, tanto en superficie como en altura, sin olvidar una componente aleatoria que afecta en gran parte a su variación total.. •. al mismo tiempo hay que considerar que la energía disponible a partir del viento depende de la velocidad del mismo al cubo, como se explicará más adelante, por lo que pequeñas variaciones en este parámetro afectarán en gran medida al resultado final de energía obtenida.. 1.5 ENERGÍA APROVECHABLE DEL VIENTO A continuación se van a introducir dos conceptos fundamentales que han de ser tenidos en cuenta en todo el desarrollo posterior: •. el coeficiente de potencia: da una idea de la potencia que realmente estamos obteniendo a través del sistema eólico.. 20.

(22) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. •. la fórmula de Betz: muestra la máxima potencia extraíble de una vena fluida.. 1.5.1 COEFICIENTE DE POTENCIA La potencia que posee el viento incidente sin perturbar y de velocidad V1 viene dada por la expresión:. Sin embargo, un aerogenerador no es nunca capaz de llegar a capturar el 100% de esta potencia que posee tal viento incidente, de tal manera que la potencia capturada por el rotor de la máquina es significativamente menor. El coeficiente de potencia de un aerogenerador es el rendimiento con el cual funciona el mismo, y expresa qué cantidad de la potencia total que posee el viento incidente es realmente capturada por el rotor de dicho aerogenerador. Se define como:. donde P es la potencia realmente capturada por el rotor. Este coeficiente es adimensional. Por otra parte, hay que hacer notar que el coeficiente de potencia con que funciona un aerogenerador en general no es constante, pues varía en función de las condiciones de funcionamiento de la máquina, en concreto del parámetro denominado λ que es la relación entre las velocidades del extremo de la pala o velocidad de arrastre (Ω.r) y la velocidad del viento V. La relación se muestra en la siguiente gráfica:. 21.

(23) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. Movimiento de un fluido a través de un conducto. 1.5.2 TEORÍA DE BETZ El primero en estudiar los motores eólicos fue Betz, quien por una serie de razonamientos determinó la máxima potencia extraíble de una vena fluida. El teorema de Betz tiene para las máquinas eólicas la misma importancia que el de Carnot para las máquinas térmicas. Los supuestos, ideales, en que se basa la fórmula de Betz son: •. Las palas trabajan sin fricción alguna.. •. Las líneas de corriente que definen el volumen de control, separan perfectamente el flujo de aire perturbado del no perturbado.. •. La presión estática en puntos suficientemente alejados del rotor secciones S1 y S2) coincide con la presión estática de la corriente libre no perturbada.. •. La fuerza desarrollada por unidad de área a lo largo del rotor es constante.. •. El rotor no induce rotación alguna en la estela de salida.. •. El fluido es ideal e incompresible.. En virtud del principio de conservación de la energía, si el aerogenerador extrae una cierta cantidad de energía de la vena, ésta debe perder la misma cantidad de energía cinética. Por tanto, la velocidad V2 debe ser inferior a V1 . Bajo estas hipótesis Betz dedujo que el máximo valor de potencia susceptible de ser extraído de la vena fluida es:. expresión que se conoce como fórmula de Betz y que proporciona la máxima potencia que podemos extraer de una corriente de aire. La relación. 22.

(24) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. representa el coeficiente de potencia máximo (límite de Betz) y nos servirá para caracterizar el rendimiento de un rotor eólico. Por lo tanto, la ley de Betz dice que puede convertirse menos de 16/27 (≅ el 59 %) de la energía cinética en energía mecánica usando un aerogenerador.. 1.6 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA ENERGÍA OBTENIDA POR EL AEROGENERADOR Los tres factores que influyen en la energía mecánica recuperada por el rotor son: 1.6.1 DENSIDAD DEL AIRE. La energía cinética contenida en un objeto en desplazamiento es proporcional a su peso, y por tanto, a su densidad. En las máquinas eólicas, lo que nos interesa es la energía del viento, y la densidad del aire. Cuanto mas denso es el aire, mayor es la energía recuperada por el rotor. A una presión atmosférica normal, y a una temperatura de 15 °C, el aire pesa 1.225 kg/m3. Sin embargo, la densidad disminuye un poco cuando la humedad del aire aumenta. Así mismo, el aire frío es mas denso que el aire caliente, y también, la densidad del aire en las montañas es menor que en llano.. 1.6.2 ÁREA BARRIDA POR LOS ÁLABES DEL ROTOR. El área del rotor determina cuanta energía del viento es capaz de capturar una turbina eólica. Dado que el área del rotor aumenta con el cuadrado del diámetro del rotor, una turbina que sea dos veces más grande recibirá cuatro veces más energía. Eso justifica el hecho de utilizar grandes aeroturbinas.. 23.

(25) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. El área cubierta por el rotor y, por supuesto, las velocidades del viento, determina cuánta energía podemos obtener en un año. El siguiente gráfico:. proporciona una idea de los tamaños de rotor normales en aerogeneradores. Los diámetros de rotor pueden variar algo respecto a las cifras dadas arriba, ya que muchos de los fabricantes optimizan sus máquinas ajustándolas a las condiciones de viento locales. 1.6.3 VELOCIDAD DEL VIENTO La velocidad del viento es muy importante para la cantidad de energía que un aerogenerador puede transformar en electricidad: la cantidad de energía que posee el viento varía con el cubo de la velocidad media del viento, es decir, si la velocidad del viento se duplica la cantidad de energía que contenga será ocho veces mayor. La potencia del viento que pasa perpendicularmente a través de un área circular es: P = 1/2 ρv3πr2 Siendo: P = potencia del viento (W). ρ= densidad del aire seco = 1.225 medida en kg/m3 (a la presión atmosférica promedio a nivel del mar y a 15° C). v = velocidad del viento (m/s). r = radio del rotor (m). Todos esos criterios juegan un papel en la energía recuperada por el rotor de la máquina eólica.. 24.

(26) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. 1.7 NOCIONES SOBRE LA AERODINÁMICA DE LAS PALAS A continuación se van a exponer las características más importantes de los perfiles sustentadores, en los que se fundamenta el funcionamiento de la mayor parte de las aeroturbinas. La fuerza sobre una pala de la aeroturbina resulta de acción de la velocidad relativa del aire sobre la misma. Dicha velocidad relativa es la composición de la velocidad del viento y de la velocidad de giro de la propia pala. Cuando un cuerpo esta sujeto a la acción de un flujo de fluido, se produce una fuerza que es altamente dependiente de la forma del cuerpo. La dirección de la fuerza resultante de interacción entre el fluido y el cuerpo está dentro de la región comprendida entre las líneas que forman ±90º con la dirección del flujo. Si la forma del cuerpo es irregular, la fuerza resultante tiende a ser paralela a la dirección del flujo. Por contra, si el cuerpo tiene una forma aerodinámica, la fuerza tiende a ser perpendicular a la dirección del flujo. De este hecho, y puesto que un perfil está a caballo entre estos dos comportamientos extremos, la fuerza aerodinámica puede ser expresada por dos componentes: •. una componente totalmente perpendicular al flujo, conocida como fuerza aerodinámica de sustentación. •. otra componente que es paralela al flujo, conocida como la fuerza aerodinámica de arrastre. En principio puede haber turbinas que funcionen basándose en cualquiera de. estos dos tipos de fuerzas, esto es: que su diseño intente aprovechar preferentemente una de ellas. De esto ya hemos hablado en apartados precedentes así que en éste nos ceñiremos al caso de las máquinas que funcionan con perfil sustentador. Antes de eso exponemos en la siguiente tabla ejemplos de aplicaciones diferentes en las que también se aprovechan estos dos tipos de fuerza:. 25.

(27) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. Aeroturbina tipo Savonius Fuerzas de Arrastre. Turbina hidráulica tipo Pelton Anemómetro de cazoletas Mayoría de las aeroturbinas modernas. Fuerzas de Sustentación. Alas de avión y palas de la hélice Navegación a vela. En términos físicos, la fuerza sobre un cuerpo causada por su interacción con un fluido se produce por cambios en la velocidad y dirección del flujo alrededor del contorno del mismo. Estos cambios en velocidad se ven representados en cambios de presión alrededor de cuerpo y estas diferencias de presión es lo que producen la fuerza aerodinámica. La Figura siguiente ilustra las fuerzas aerodinámicas sobre un perfil aerodinámico.. Fig. Fuerzas aerodinámicas sobre perfil. La fuerza aerodinámica total es, entonces, la suma vectorial de la fuerza de sustentación (L en el dibujo ya que en inglés sustentación es lift) y la de arrastre (D del inglés drag), se entiende que diferentes formas aerodinámicas tendrán diferentes relaciones entre estas fuerzas. Es práctica común describir las propiedades aerodinámicas de perfiles en términos de coeficientes adimensionales, lo cual facilita el análisis y la comparación entre perfiles aerodinámicos. Los coeficientes adimensionales son: •. Coeficiente de Sustentación: que es la relación entre la fuerza de sustentación L y la fuerza (vectorial) que ejerce el fluido, y que podemos. 26.

(28) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. obtener de la expresión de la potencia escrita en el apartado anterior: P=1/2ρv3πr2 sin más que dividir por v (P=F*V) •. Coeficiente de Arrastre: este coeficiente es la relación entre la fuerza de arrastre D y la fuerza que ejerce el fluido sobre el perfil. Estos coeficientes varía en función del ángulo de ataque (α). Como se observa. en la figura precedente, éste es el ángulo formado por la línea de cuerda del perfil aerodinámico y la dirección del flujo incidente. Estos coeficientes se han determinado experimentalmente en túneles viento, para un número amplio de perfiles aerodinámicos. La Figura que mostramos a continuación, ilustra el comportamiento típico de estos coeficientes de un perfil para un rango de ángulos de ataque.. Fig. Comportamiento de coeficientes de Sustentación y Arrastre de un perfil aerodinámico. Si miramos las gráficas, observaremos que, en general, los perfiles aerodinámicos alcanzan su valor máximo de coeficiente de sustentación para valores del ángulo de ataque entre 10° y 15°. Después de este valor el perfil entra, en lo que se conoce, como condición de perdida. En esta situación los perfiles disminuyen rápidamente su capacidad de generar fuerza de sustentación mientras que las de arrastre crecen rápidamente. Los perfiles aerodinámicos de las palas de los rotores eólicos son elegidos para operar entre la condición de pérdida y valores de ángulos de ataque bajos o aún. 27.

(29) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. negativos. En la actualidad, se utiliza la condición de pérdida para realizar control aerodinámico en la operación de equipos con el fin de mantener velocidad de rotación constante en los rotores. Otro aspecto que influye en el comportamiento aerodinámico de los perfiles aerodinámicos es el efecto de la rugosidad de la superficie del perfil y los efectos de fricción entre el fluido y el perfil. Además los coeficientes son afectados por efectos de la viscosidad del fluido, función ésta del Número de Reynolds.. 1.8 PARTES DE UN AEROGENERADOR Un sistema de generación eólica está formado por otros subsistemas menores que realizan una determinada función. En concreto, para las máquinas de gran potencia, los principales subsistemas que podemos encontrar se presentan de manera descriptiva en la siguiente figura:. 28.

(30) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. A continuación enumeraremos los diferentes subsistemas principales que constituyen una aeroturbina, para después pasar a describirlos más detenidamente. • 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. • Controladores electrónicos locales. • Elementos de acoplamiento mecánico. • Chasis principal. • Torres. 1.8.1 ROTOR Los subsistemas básicos que constituyen el rotor son las palas o aspas, el cubo y la nariz. Su función es convertir la energía cinética del viento en la energía mecánica que se utiliza para impulsar el generador eléctrico. •. Palas Las palas están fabricadas y diseñadas con el fin de alcanzar un balance. óptimo en la captación eficaz de la energía del viento y lograr una mínima carga sobre la turbina, al mismo tiempo que un funcionamiento libre de problemas. Bajo esta afirmación se identifican distintos conceptos relacionados con el material utilizado. El primero de ellos tiene que ver con la forma de la aeroturbina. El conformado de la pala debe ser el adecuado y por tanto el material debe poder ser tratado y adaptado a la forma idónea sin pérdida de propiedades resistentes. Por otro lado hemos de conocer el comportamiento del material para las distintas situaciones de carga que se puedan producir. Por todo esto, el conocimiento y caracterización de los materiales a utilizar es paso indispensable a determinar antes de llevar a cabo cualquier diseño.. 29.

(31) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. •. Cubo o buje El cubo del rotor es el elemento donde se unen las palas y mediante el cual la. potencia captada por el rotor se transmite al eje principal. En función de si el rotor está formado por dos o tres palas pueden presentarse dos tipos de buje: • Rígido, para aerogeneradores de tres palas, que consiste en una estructura metálica hueca que típicamente se construye con base en una fundición de acero nodular. • Basculante, para aerogeneradores de dos palas, el cual permite que las palas se puedan mover, ligeramente, en una dirección perpendicular al plano del rotor. •. Nariz La nariz del rotor es una cubierta frontal en forma de cono que sirve para. desviar el viento hacia el tren motor y mejorar la ventilación en el interior, eliminar turbulencia indeseable en el centro frontal del rotor y mejorar el aspecto estético. 1.8.2 CAJA DE ENGRANAJES En la selección o diseño de una caja de engranes para aerogeneradores se busca que tenga una relación óptima entre su capacidad de carga, su tamaño y su peso. Asimismo, deben operar con eficiencia alta y emitir poco ruido. 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. Ante la construcción de generadores eléctricos de velocidad nominal baja, ha surgido un nuevo diseño constructivo en el que ya no es necesaria la caja multiplicadora. En este caso, el rotor se acopla directamente al generador eléctrico. Sin embargo, estos últimos son de fabricación especializada y sus dimensiones son relativamente grandes. La foto siguiente muestra una caja de engranajes y el generador:. 30.

(32) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. Actualmente, el 90 % de los aerogeneradores comerciales, en el rango de 200 a 3.000 kW, utilizan una caja de engranes en el tren motor y solamente el 10 % tienen un acoplamiento directo.. 1.8.3 GENERADORES ELÉCTRICOS Los generadores eléctricos más utilizados para la configuración de sistemas eólicos han sido los generadores asíncronos, aunque con la reducción de costes en los sistemas eléctricos que separan la producción de energía de la eólica con la propia red eléctrica están empezando a colocarse en mayor número los síncronos, siendo éstos últimos los instalados en las máquinas sin multiplicador. 1.8.4 SISTEMAS DE REGULACIÓN DE POTENCIA Y VELOCIDAD La regulación de potencia y velocidad en aerogeneradores es relativamente compleja, y ha sido uno de los retos principales en el desarrollo de su tecnología. Actualmente, se utilizan los métodos que se describen a continuación: •. Variación del ángulo de paso (o calado) de las palas:. 31.

(33) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. El primer método para el control de la potencia, una vez alcanzado el valor nominal, es el control del ángulo de paso de la pala (definido éste como el ángulo que se forma entre la cuerda del perfil aerodinámico en la punta de la pala y el plano de rotación). •. Control por desprendimiento de flujo: Este. segundo. método. de. control. de. potencia. se. aplica. en. aerogeneradores de palas donde el ángulo de calado permanece constante. En este tipo de sistemas al aumentar la velocidad del viento también lo hace la velocidad relativa produciéndose al mismo tiempo una variación en el ángulo de ataque.. 1.8.5 SISTEMAS DE ORIENTACIÓN El objeto fundamental del sistema de orientación es mantener el rotor en un plano perpendicular a la dirección del viento, con el fin de extraer de él la máxima energía. La mayoría de los aerogeneradores en el mercado actual son del tipo a barlovento y utilizan servomecanismos para mantener el plano del rotor en posición perpendicular a la dirección del viento. Estos dispositivos constituyen el elemento unión entre la torre y la góndola del aerogenerador. Básicamente se construyen a partir de un cojinete y una corona dentada. La corona está acoplada a piñones montados sobre dos o más servomotores (eléctricos o hidráulicos). Normalmente el subsistema se encuentra habilitado, además, con un freno mecánico.. 1.8.6 CONEXIONES A RED Este es uno de los campos donde más se está avanzando con el fin de aumentar la eficiencia en la conversión de energía en este tipo de sistemas.. 32.

(34) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. 1.8.7 DISPOSITIVOS DE SEGURIDAD El objeto fundamental de este tipo de sistemas es el de proteger la integridad física de los humanos, así como la del equipo en su conjunto. Por ello, estos sistemas se ponen en funcionamiento generalmente en situaciones como: • Presencia de vientos mayores que la velocidad de salida. • Velocidad de rotación por arriba del máximo aceptable. • Pérdida de carga (desconexión o fallo de la línea de interconexión). • Exceso de vibraciones. • Temperaturas por arriba de las máximas aceptables (en generadores, cajas de transmisión, controladores electrónicos, etc.). • Pérdida de presión en controladores hidráulicos. Los medios que se utilizan para efectuar el paro forzado son: • Freno de disco. • Control del ángulo de paso de las palas. • Dispositivos de punta de pala (frenos aerodinámicos). • Control de orientación al viento. La mayoría de los aerogeneradores cuenta con dos (o más) de estos medios, los cuales pueden operar de manera independiente o coordinada. Dependiendo del modelo específico del aerogenerador se asigna uno de ellos como el medio principal de frenado. En aerogeneradores que tienen sistemas de regulación de velocidad por control del ángulo de paso de las palas, usualmente se asigna este medio como el de frenado principal. 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 (posición de bandera). En la siguiente figura se ilustran los llamados ”dispositivos de punta de pala” que se utilizan en 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 90º, con objeto de que su superficie se oponga aerodinámicamente al giro del rotor.. 33.

(35) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. 1.8.8 ELECTRÓNICA DE CONTROL Todos los aerogeneradores para centrales eoloeléctricas cuentan con un sistema electrónico dedicado al control y a la adquisición de datos (SCADA). Cada aerogenerador cuenta con un SCADA propio, independientemente de que éste forme parte de una central integrada por varias turbinas. Sus funciones principales 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 eoloeléctricas (transmisión de datos). Para tales fines, los SCADA miden y procesan las variables de control, entre las que se encuentran: • Velocidad y dirección del viento. • Velocidades angulares. • Temperaturas. • Presión. • Ángulo de orientación.. 34.

(36) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. • Vibraciones. • Estados operativos. • Parámetros eléctricos. • Eventos. En la siguiente figura se muestra un sistema de control:. 1.8.9 ACOPLAMIENTOS MECÁNICOS Durante el funcionamiento de un aerogenerador los componentes del sistema de transmisión están sujetos a fluctuaciones torsionales, desplazamientos axiales y desalineación entre los ejes. Estos efectos adversos deben ser minimizados para reducir esfuerzos y prolongar la vida útil de los componentes. Por ejemplo, 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.. 1.8.10 ESTRUCTURA SOPORTE, CHASIS O GÓNDOLA El chasis principal es una estructura metálica donde se monta el tren de potencia, el generador eléctrico, las mordazas del freno y, en su caso, las unidades hidráulicas. Este componente recibe las cargas del rotor a través del tren de potencia y las transmite a la torre vía el subsistema de orientación. Usualmente, el chasis principal está construido a partir de perfiles estructurales de acero soldados y placas de fibra de vidrio.. 35.

(37) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. 1.8.11 TORRES Las torres constituyen el elemento de apoyo del resto de subsistemas de la aeroturbina. Por tal motivo, su principal función es estructural. Para instalar aerogeneradores de eje horizontal se pueden utilizar torres tubulares o torres de celosía. En la siguiente fotografía el interior de una torre tubular, sobre las que están montadas las máquinas de potencias a partir de 1000kW.. 1.9 ESTADO DE LA TECNOLOGÍA “SIN MULTIPLICADOR” Un aerogenerador conectado a la red eléctrica a través de un convertidor de frecuencia y diseñado para operar con velocidades de rotación variables, es uno de los más prometedores conceptos para el futuro desarrollo en el campo de la energía eólica. Esto permite obtener máxima eficiencia del rotor para una velocidad de viento dada. El uso de generadores eléctricos multipolos de baja velocidad elimina un caro y vulnerable elemento de la transmisión de los aerogeneradores tradicionales, el multiplicador. Esto permite reducir el peso, las dimensiones y el ruido mecánico en los aerogeneradores. Al mismo tiempo, una de las principales ventajas es una mejora de los parámetros técnicos y económicos de los equipos eléctricos, los cuales mejoran la eficiencia total del aerogenerador.. 36.

(38) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. Para la mejora de esta tecnología se necesita: •. Desarrollo de nuevos tipos de generadores multipolos con mejores características.. •. Desarrollo y optimización de convertidores de frecuencia y métodos para su control.. La primera implantación a gran escala de generadores multipolos de baja velocidad para aerogeneradores fue hecha por ENERCON (modelo E-40). El generador disponía de 84 polos, 6 fases y una conexión a red a través de un convertidor de potencia. Otra solución técnica es el uso de generadores multipolo con imanes permanentes (PMG). Este tipo de generadores alcanzan la más alta eficiencia ya que la ausencia de bobina excitadora en el rotor reduce las pérdidas.. 1.9.1 COMPARACIÓN MERCADO MÁQUINAS CON/SIN MULTIPLICADOR Sólo unos pocos fabricantes de aerogeneradores ofrecen aerogeneradores sin multiplicador.. En la siguiente figura, se ve claramente que el mercado de aerogeneradores está dominado por tecnología basada en el uso de multiplicadores.. 37.

(39) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. En la siguiente tabla se muestran las diferentes tecnologías usadas por los mayores fabricantes de aerogeneradores:. A continuación se muestra una gráfica en el que se puede apreciar el tipo de tecnología instalada durante el año 1997:. Debemos distinguir entre los aerogeneradores de velocidad constante de los de velocidad variable. Los aerogeneradores usan el concepto de velocidad variable si el rotor puede girar proporcionalmente a la velocidad del viento. El concepto de velocidad constante asume que la velocidad de rotación del rotor es constante para cualquier velocidad del viento.. 38.

(40) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. El uso de convertidores electromecánicos de velocidad variable, en contraposición con la velocidad constante, tiene varias ventajas: •. Capacidad para extraer más energía del viento (por encima del 6%, dependiendo de la localización del aerogenerador y las palas). •. Reducidas fluctuaciones en la red.. •. Bajas emisiones de ruidos a bajas velocidades.. •. Bajas cargas mecánicas en los componentes del aerogenerador durante la transmisión del par.. La siguiente tabla, muestra las características de varias tecnologías usadas en los aerogeneradores actuales:. Se puede observar que las principales ventajas de la tecnología sin multiplicador disponible actualmente comparada con la tecnología tradicional son: •. Menores requerimientos de mantenimiento.. •. Menor ruido debido a la velocidad variable y también debido a la ausencia de multiplicador.. •. Alta eficiencia a bajas velocidades del viento.. 39.

(41) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. Por el contrario, las principales desventajas son: •. Mayor coste.. •. Menor facilidad de transporte e instalación debido al mayor diámetro de la máquina.. •. Menor eficiencia a altas velocidades del viento.. Son las dos primeras desventajas las que principalmente impiden la inmediata sustitución de la tecnología con multiplicador. 1.9.2 ANÁLISIS DE COSTES DE LAS TECNOLOGÍAS CON/SIN MULTIPLICADOR Se va a intentar realizar. una comparación entre los costes de las dos. tecnologías expuestas hasta ahora. Se debe resaltar, que es muy difícil poder traducir en costes factores como el mantenimiento y emisión de sonidos. En este apartado nos limitaremos a comparar el precio de los equipos. Los datos que se van a proporcionar han sido obtenidos de diversos suministradores. Se ha obtenido el coste de una caja multiplicadora, un generador inductivo, un generador síncrono y convertidores electrónicos de diferentes suministradores. Para un aerogenerador de 750kW se obtuvieron los datos expuestos en el siguiente gráfico:. 40.

(42) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. Los resultados obtenidos nos muestran como los aerogeneradores sin multiplicador tienen en general un precio más elevado, que en este caso concreto era del orden de un 30% más. 1.9.3 DISCUSIÓN Enercon lanzó la tecnología de los aerogeneradores sin multiplicador hace unos años. Hoy en día compañías como Lagerwey, IGBT, Jeumont, GeneSys... han desarrollado sistemas similares. Este. tipo. de. tecnología. ofrece. una. alternativa. competitiva. a. los. aerogeneradores convencionales. Como hemos visto, tienen unas ventajas muy importantes. Sin embargo se deben hacer esfuerzos para: •. Reducir el coste del generador.. •. Desarrollar nuevos diseños de generador con menor diámetro.. •. Investigar en el campo de los convertidores, para mejorar el coste eficiencia.. 1.10 IMPACTO AMBIENTAL 1.10.1 INTRODUCCIÓN El potencial de mitigación de emisiones que ofrece la generación eoloeléctrica representa una ventaja sobre las tecnologías de generación convencionales que queman carbón y combustibles derivados del petróleo. El valor efectivo de este ahorro de combustibles y de mitigación de emisiones a la atmósfera depende de la mezcla de tecnologías de generación en el sistema eléctrico que se trate. La Comisión Europea estima que la operación de 10.000 MW eoloeléctricos en la Unión Europea evitaría la emisión de 20 millones de toneladas de CO2 por año, lo que representaría un ahorro total de 3.500 millones de euros por el concepto de combustibles fósiles no quemados. Se ha comprobado que los efectos negativos sobre el medio ambiente que producen la construcción y funcionamiento de un parque eólico son en general escasos, como veremos a continuación.. 41.

(43) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. 1.10.2 IMPACTO SOBRE LA VEGETACIÓN Consideraremos como impacto sobre la vegetación el impacto por erosión del suelo, puesto que en la erosión queda implícita la pérdida de la vegetación. La importancia y significación de la vegetación en la identificación de los impactos ambientales radica en ser, por lo general, un elemento fundamental en la expresión de los ecosistemas. En la estimación de los impactos sobre la vegetación es preciso considerar dos cuestiones: el valor de la vegetación presente en la zona en la que se va a llevar a cabo el parque eólico, y la incidencia en ella de las operaciones de construcción y posterior funcionamiento del parque. Los impactos sobre la vegetación pueden ser directos (desaparición de la vegetación), o indirectos (interrupción de cursos fluviales, utilización de herbicidas, incendios, pastoreo). Los primeros tienen lugar preferentemente en el momento de la construcción del parque, son fáciles de prever: •. Movimientos de tierras en la preparación de los accesos al parque eólico.. •. Realización de cimentación.. •. Construcción de edificación de la instalación. Los impactos indirectos suelen producirse durante el funcionamiento del par-. que. Su previsión es a veces difícil. Para minimizar estos riesgos deben realizarse al menos los estudios siguientes: •. Hidrología y pluviometría.. •. Trazado y perfiles transversales del camino.. •. Impactos sobre la vaguada y cursos de agua.. 1.10.3 RUIDO La emisión de ruido acústico puede llegar a ser un inconveniente cuando los aerogeneradores se instalan cerca de lugares habitados. Para que las centrales eoloeléctricas no ocasionen molestias de ruido a sus vecinos, algunos países han emitido normas ambientales que limitan su cercanía a lugares habitados.. 42.

(44) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. La siguiente figura:. Nivel de sonoro en función de la distancia. muestra un ejemplo de cómo disminuye el ruido que emite un aerogenerador en función de la distancia a su punto de instalación. La figura siguiente muestra una comparación con el ruido que se percibe de otras fuentes:. Escala de ruido. 1.10.4 IMPACTO VISUAL El impacto visual depende de la percepción de las personas. Al igual que el problema de ruido, el impacto visual depende de la cercanía entre las poblaciones y las centrales eoloeléctricas. Asimismo, adquiere mayor o menor dimensión dependiendo de varios factores psicológicos y sociales.. 43.

(45) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. 1.10.5 IMPACTO SOBRE LAS AVES A la par de la experiencia operativa de una gran cantidad de centrales eoloeléctricas en el mundo, se han emprendido estudios sobre la mortalidad de aves al chocar contra los rotores y las estructuras de los aerogeneradores. También se ha estudiado el efecto de los aerogeneradores sobre el hábitat y costumbres de las aves. La Asociación Europea de Energía Eólica apunta que la muerte de aves a causa de los aerogeneradores, a pesar de su tamaño y de sus palas en movimiento, no presenta un problema especial, de acuerdo a lo encontrado en estudios realizados en. varios países europeos. Las líneas de transmisión de energía. eléctrica presentan una amenaza mucho mayor que los aerogeneradores.. 2.. TURBINAS. CONEXIÓN. EÓLICAS. DIRECTA:. CON. GENERADORES. POSIBLES. TIPOLOGÍAS. DE DE. GENERADOR. A continuación pasamos a realizar un estudio general de los tipos de máquinas de posible utilización en el campo de los aerogeneradores o turbinas de viento sin multiplicador de velocidad, también llamados de conexión directa.. 44.

(46) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. En realidad, la diferencia entre los tipos de máquinas se basa principalmente en la filosofía del generador, y por tanto nos centraremos en la variedad de estos últimos a la hora de discutir las diferentes posibilidades de producción de energía eléctrica.. 2.1 INTRODUCCIÓN La característica de las máquinas de conexión directa es que no poseen un tren de engranajes que ajuste la velocidad de giro del rodete a la necesaria para la producción de electricidad a la frecuencia deseada. Por tanto, los generadores que utilizan deberán tener distintas peculiaridades de los de las turbinas que sí lo montan. Veremos que el tipo de generador más usado para máquinas sin multiplicador es el de polos de magnetización permanente, es decir, imanes permanentes. Los imanes permanentes permiten deshacerse de las curvas de excitación de corriente continua, y por tanto, de los anillos de deslizamiento que suponen una pérdida de potencia por producción de calor debido a la resistencia de contacto que presentan. Esto nos permite obtener máquinas eléctricas con mayor densidad de potencia. Por otro lado, el creciente desarrollo en el campo del control electrónico (IGBTs e IGCTs) hace que se puedan adaptar mejor la electricidad producida a las ondas de corriente y tensión con igual frecuencia que la de la red, siendo posible que las máquinas trabajen con tensiones de onda cuadradas, en frecuencias óptimas para su funcionamiento. Debido a la gran cantidad de aplicaciones, velocidades y pares torsores de funcionamiento, existe una gran variedad de configuraciones de máquina, y no entraremos al estudio particular de cada una de ellas. Se dedicará mayor extensión a las máquinas de magnetización permanente por ser más baratas, ligeras y pequeñas, y por tanto apropiadas para los aerogeneradores de conexión directa.. 2.2 GENERADOR DE INDUCCIÓN DIRECTA O ASÍNCRONO La posibilidad de usar un generador de inducción directa en turbinas de viento la rechazan muchos autores. A continuación se expone el desarrollo teórico del. 45.

(47) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. generador y luego veremos las conclusiones que desechan su utilización en máquinas sin multiplicador. Las máquinas de inducción requieren una corriente de magnetización para producir fuerza electromotriz (fem) en el rotor. La inductancia magnética se define como:. donde Lm es la inductancia magnética de un fase de la máquina, np es el número de vueltas por polo y fase, Am es el área del circuito magnético para un polo, p es el número de pares de polos y la g es la anchura del entrehierro. Como regla general, la g se toma como:. donde dg es el diámetro exterior del entrehierro. La inclinación de los polos τp se define como:. Se denomina inclinación porque es el ángulo con centro en el centro del rotor que abarca un polo. En la expresión de Lm , el área Am debe ser escogida de manera que la densidad de flujo en los dientes del estator sea menor que la de saturación. Para simplificar, se utilizará la densidad de flujo del entrehierro, en vez de la de los dientes. Asumimos que si se toma Bgmax = 0,7 T (máxima densidad de flujo del entrehierro) se previene la saturación en los dientes del estator. Según la ley de Faraday, el flujo magnético en la huella de aire se define como:. 46.

(48) DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR. donde, E es la amplitud máxima de tensión del estator, ωs es la frecuencia eléctrica del estator y ϕp es el flujo magnético en el estator en el entrehierro para un polo y una fase. Los valores se supone que varían senoidalmente. También, se asume que cada polo tiene un régimen de vueltas np por fase en el stator. De la ecuación de ϕp , el flujo máximo por el entrehierro es:. ϕ p max =. E∗ 2 = 2 ∗ n p ∗ ωs ∗ p. E 2 ∗ n p ∗ ωs ∗ p. donde E es la tensión del estator. Por definición:. ϕ p = Am ∗ B g ≤ Am ∗ B g max Asumiendo que el circuito magnético está optimizado, la ecuación anterior nos da:. ϕ p max = Am ∗ B g max Mediante las dos expresiones anteriores de ϕpmax obtenemos la expresión de Am:. Am =. E 2 ∗ n p ∗ ω s ∗ p ∗ B g max. La corriente que circula por el estator se define como:. donde A se expresa por unidad de longitud (A/m), I es la intensidad de corriente del estator, y m el número de fases. Combinando las ecuaciones anteriores obtenemos la velocidad de giro por polo y fase: np =. 250 ∗ Π ∗ A p∗m∗I. 47.