Pasos y procedimientos para el diseño y la manufactura de una turbine eólica Un resumen Herman Snel ECN Wind Energy Contenido • • • • • • • • • • • • Preámbulo Sistemas y componentes de una turbine Fases en el diseño Diseño conceptual Prediseño o diseño preliminar Diseño detallado Preparción de fabricación Fabricación Instalación Pruebas de aceptación Manuales de operación y mantenimiento Costos y tiempos asociados con las diferentes fases Preámbulo Aunque una turbina eólica se compone de muchas partes, ver las siguientes hojas, es muy importante realizarse que todos los componentes y las partes interactúan dinámicamente y que la turbina forma un solo sistema dinámico muy complejo. Así que en las primeras fases del diseño las características dinámicas de los componentes y del todo deben especificarse, para que no hayan resonancias y inestabilidades posibles. Únicamente en la última fase del diseño se especifican y calculan todos los elementos, ya sean de compra de catálogo o de fabricación especial. No obstante, en esta presentación, primero se describen los diferentes sistemas y componentes de la turbina, para poder hacer referencia después. Sistemas de la turbina Se distinguen los siguientes sistemas en una turbina: • Rotor • Tren de potencia mecánica • Sistema eléctrico • Estructura de suporte (chasis) • Sistema de alineación o orientación (yaw) • Torre • Cimentación • Sistema de control • Sistema de seguridad • Sistema SCADA En las próximas figuras, se indican estos sistemas, por lo menos los que son materiales y visibles. Sistemas Tren de potencia mecánica Parte del sistema de control y del SCADA Sistema eléctrico Vestas V80 rotor chasis Sistema de alineación torre Cimientación en el piso Sistemas Rotor Tren de potencia mecánica GE 2.5 Sistema de refrigeración, auxiliar Sistema de alineación Torre chasis Sistema eléctrico Componentes de los sistemas: Rotor • • • • Las aspas (normalmente tres) in material compuesto, usualmente fibra de vidrio con poliéster (GFRP), o con epoxy (GFRE). Aspas mas grandes pueden ser de fibra de carbono con epoxy (CFRE), para mayor rigidez y menor peso. Los rodamientos de las aspas. En la mayor parte de las turbinas modernas el rotor es de ángulo de paso variable, y por ende conectada al cubo a través de un rodamiento. Estos rodamientos transfieren importantes momentos de flexión, en la base del aspa. El cubo es la construcción que contiene los rodamientos y que conecta las aspas al eje de baja velocidad. Puede ser hecho en fundición o forjado. Los actuadores para cambiar el ángulo de paso de cada aspa pueden ser contado como parte física del rotor o como actuadores del sistema de control. Pueden ser actuadores hidráulicos, con la presión hidráulica pasando por un conducto en el eje hueco (con sellos rodantes), o motores eléctricos (individuales para cada aspa), que permiten control individual. La potencia eléctrica en este caso pasará por un añillo de deslizamiento (slip ring) sobre el eje. El rotor Aspa con tornillos para la conexión al cubo GE 2.5 Cubo con rodamiento y motor eléctrico para cambio de paso Tren de potencia mecánica • • • • • El eje de velocidad baja. Metálico, normalmente hueco, a veces para pasar presion hidráulica al rotor. Este eje pasa el torque al resto del tren. Dependiendo de la construcción, el eje también transfiere momentos de flexión, necesitando de un análisis de fatiga. El (los) rodamiento(s) principal(es). Sostiene el eje de velocidad baja y está montado sobre el chasis. Algunos sistemas tienen un rodamiento principal, mientras que el primer rodamiento de la caja de cambio de velocidad dobla como soporte secundario. Otros sistemas (mas modulares) tienen dos rodamientos principales. La caja de cambio de velocidad, aumenta la velocidad de rotación del eje de velocidad baja, a la necesitada por el generador eléctrico, normalmente alrededor de 1800 rpm (60 Hz de la red). Usualmente tiene la primera etapa planetaria, seguido por una o mas etapa(s) paralelas. Sistemas con generador multipolo lento (direct drive) no necesitan de una caja El eje de velocidad alta, sale de la caja de cambio y tiene la velocidad de rotación del generador (torque más bajo) Acoplado al generador El freno mecánico. Casi todas las turbinas grandes tienen un freno mecánico en el eje de velocidad alta (que sale de la caja). Un freno de alto torque en el eje lento sí es posible en turbinas mas pequeñas, pero no en las grandes. El freno normalmente se levante activamente por el sistema hidráulica; en el cualquier situación de falla, se activa. Sistemáticamente, el freno forma parte del sistema de seguridad. Tren de potencia mecánico Eje de baja velocidad Eje de alta velocidad Repower 5M Rodamientos principales Caja de cambio de velocida Sistema Eléctrico • • • • • El generador eléctrico. Puede ser de inducción o sincrónico. Casi todas las turbinas modernas tienen un sistema de velocidad variable donde la corriente del generador (con frecuencia variable) se convierta a Corriente Directa, y después a Corriente Alterna con la frecuencia de la red. El convertidor eléctrico consistiendo de rectificador y invertor. Usualmente ‘back to back converter’ basado en tecnologia IGBT, que permite una forma sinusoidal de la corriente de alta calidad, sin distorción harmónica, y además permite el control de la potencia reactiva, según las necesidades de la red. Por esta propiedad es muy adecuado para todas las redes, incluyendo las débiles. Usualmente se encuentra a nivel del piso en la torre Cables de conducción. Extienden del generador hasta el convertidor, y del convertidor al transformador. El sistema de conexión suave (soft switch system), electrónica para conexión a la red El transformador transforma la tensión (voltaje) de la electricidad del valor saliendo del generador/convertidor hasta la de la red local. Usualmente se encuentra en el piso fuera de la torre, pero también hay turbinas con convertidor y transformador arriba en la barquilla (nacela). Chasis y equipo auxiliar • • El chasis (bedplate) transfiere todas las cargas al rodamiento de alineación (yaw) a a través de este a la torre. Ademas sirve de soporte para todo equipo auxiliar. Normalmente forjado en metal de alta resistencia. Su forma depende del concepto del tren de potencia (modular o compacto) y la filisofía de transferir cargas. Varía de grande y pesado a muy compacto. Un chasis de alto peso tiene desventajas de costo, pero ventajas de instalación y mantenimiento. El montaje de los cojinetes, de la caja de cambio y del generador, se hacen normalmente con bloques de caucho para amortiguar las vibraciones y el ruido. La caja a veces so monta con resortes y amortiguadores hidráulicos, para influír en la flexibilidad del sistema rotacional Equipos auxiliares: - sistema de enfriamento para la caja y para el generador. Normalmente forzado, y basado en líquido con intercambiador de calor atrás en la barquilla - Sistema hidráulico, para el freno mecánico y a veces para el sistema de cambiar el ángulo de paso de las aspas, y el ángulo de alineación (yaw) Estos dos últimos sistemas también se pueden basar en motores eléctricos - Una grúa para subir partes del tren de potencia es parte usual del equipo auxiliar en turbinas grandes Sistema de alineación • • El rodamiento (cojinete) de alineación, es un cojinete de gran diámetro (diámetro de la parte superior de la torre), entre barquilla y torre. Su función es de hacer posible la alineación del rotor con respecto a la dirección del viento. Debe ser dimensionado para pasar toda la carga del rotor a la torre. Usualmente de rodillos. Nótese que la conducción del sistema de antirayos (ver sistema de seguridad) debe pasar sobre este cojinete. Motores de alineación. Motores eléctricos o hidráulicos para girar la barquilla con respecto a la torre. Usualmente tienen un reductor grande para aumentar el torque. La velocidad de giro que debe alcanzar es baja (unos grados/seg), ya que grandes velocidades de giro causarían grandes momentos giroscópicos en el eje. La Torre • • La torre es casi siempre de tipo tubular en hierro, ligeramente cónica, con puerto de acceso algo arriba del nivel de piso. Contiene una escalera de acceso a la barquilla, con implementos de seguridad, para subir con arnés de seguridad. Los cables de potencia eléctrica pasan hacia abajo en el interior de la torre igual que la conducción del sistema de antirayos. La torre contiene (normalmente en el piso de acceso) el control y los interruptores eléctricos, y un pequeno display del sistema SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition). Además el interruptor de emergencia (botón rojo) que activa una parada total del sistema. Las dimensiones de la torre (diámetros seccionales) y calibre (espesor) de la pared determinan sus características dinámicas, de alta importancia para el diseno. En orden de magnitud, el diámetro de la base de la torre es aproximadamente el 5 a 6 % del diámetro del rotor Torres de turbinas grandes en algunos casos incluyen un sistema de amortiguación hidráulico, arriba en la torre, algo parecido a sistemas utilizadas en edificios altos y esbeltos. En el diseño de este sistema se necesitan conocer las frecuencias naturales de la torre como parte del sistema dinámico total. GE 2.5 at ECN test field La Cimentación La cimentación conecta la torre a la tierra firme. Diferentes fabricantes tienen diverentes sistemas, por ejemplo un cilindro de hierro fijado en concreto, o una T de hierro invertido fijada en concreto. En el nivel de piso, la parte de hierro de la cimentación tiene el flange (reborde) para el montaje de la torre. El montaje se hace con gran cantidad de pernos con pretensión indicada por el fabricante (para evitar cargas en compresión). Las dimensiones de la cimentación dependen mucho de las características del suelo. Anterior al diseño final, se investigan las propiedades del suelo en los sitios de montaje. Sistema de control Las funciones del sistema de control son: • Para velocidades del viento menores a la velocidad nominal: optimizar la velocidad de rotación para la potencia óptima, actuando sobre el torque del generador. • Para velocidades del viento mayores a la nominal: mantener la potencia de salida constante, actuando sobre el ángulo de paso del aspa y el torque del generador. • Alinear el eje del rotor con la dirección del viento • Efectuar la entrada del sistema después de una desconexión normal, ya sea por velocidad baja, alta, o problemas de la red. Igualmente controla la salida del sistema en condiciones ‘normales’. Consiste de sensores (anemómetro y veleta para el viento; velocidad de rotación; potencia, ángulo de las aspas, etc.), de actuadores (p.e. para las aspas y la alineación), y más importante: de unos algoritmos complejos de control, en PLC o micro-computadora. El sistema de control es esencial para el buen desempeño del sistema total. Por ejemplo, es las señales de entrada deben filtrarse adecuadamente, los tiempos de retrazo deben ser adecuados, etc. Sistema de seguridad La función principal del sistema de seguridad es de dejar la turbina en un estado seguro en condiciones de falla o en condiciones externas extremas o de falla. Normalmente monitorea los siguientes tipos de señales • Temperatura de la caja de velocidad y del generador • Nivel de vibraciones de la caja de velocidad y del generador (acelerómetros montados sobre estos componentes) • Nivel de vibraciones de la estructura (acelerómetros en diferentes lugares del chasis) • Velocidad de rotación • Potencia eléctrica • Voltaje de la red Su acción en una situación de problemas es la de parar el rotor. Una parada común consistirá en poner las aspas en posición de bandera a velocidad normal. Una parada de emergencia consistirá en aplicar el freno mecánico y poner las aspas en posición de bandara a velocidad máxima. Toda turbina debe contar con dos sistemas de parada independientes (usualmente el freno aerodinámico con las aspas, y el freno mecánico; a veces un freno electromagnético en el generador). En caso de una acción, el sistema de seguridad indica por SCADA, cuál fue la falla o la señal que inició la acción. El Sistema SCADA Todas las turbinas disponen de un sistema SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) cuyos señales llegan al centro de control y pueden ser accesados por el operador de la planta. Algunos señales (como la potencia eléctrica integrada sobre el tiempo, número y causa de paradas de seguridad, y otros datos operativos) se guardan en una base de datos. Señales comunes son: • Potencia actual • Velocidad del viento medida por el anemómetro de la turbina • Dirección del viento, medida por la veleta de la turbina • Dirección de la barquilla • Velocidad de rotación • Temperaturas de la caja y del generador • Señal de estado (operación normal, esperando viento, parada y por cual razón, esperando mantenimiento, etc) Fases en el diseño En el diseño de una turbina eólica se pueden distinguir tres fases: 1. 2. 3. Diseño conceptual: determinación de la clase del viento, potencia instalada, medidadas aproximadas, y selección del tipo de tecnología y control que se vaya a emplear. Prediseño: diseño aerodinámico y optimización de forma del rotor. Dimensiones principales y características dinámicas de todos los componentes, optimización del sistema, determinación del espectro de cargas para la certificación, diseño e optimización del sistema de control. Diseño detallado: especificación y cálculo de resistencia de todos los elementos; calculo de esfuerzas con FEM. Dibujos de fabricación de elementos especiales. Dibujos completos de manejo y de ensamble de todos los partes, incluyendo pretensión de tuercas. Diseño y cálculo final de la cimentación. Determinación final del espectro de cargas para certificación. En las laminas siguientes se presenta más detalle de estas tres fases. Con el resultado final de 3, se inicia el proceso de certificación (design approval). Diseño conceptual 1. 2. Estudio de mercado Selección de la clase de viento para el diseño (según la clasificación IEC (clase S, 1, 2, 3 o 4, con turbulencia clase a ó clase b). 3. Selección de la potencia instalada de la turbina (p.e. 2 MW) 4. Preselección de las dimensiones principales (diámetro del rotor, velocidad de rotación, altura de la torre, etc). Esta selección suele variar en la fase de optimización en el prediseño. 5. Determinación del tipo de tecnología que se empleará, por ejemplo: Sistema de velocidad variable y tipo de generador y convertidor Caja de cambio de velocidad o generador lenta (direct drive) Características del tren de potencia y su soporte Tipo y altura de la torre Aspas especiales o comprados de un fabricante general Actuadores hidráulicas o eléctricas etc El estado actual de las selecciones en decisiones se mantiene al día para todos los involucrados en el proceso de diseño !! Prediseño -1 1. 2. 3. 4. 5. 6. Diseño aerodinámico del rotor incluyendo la decisión con respecto al criterio de optimización. En base al primer resultado, una estimación de las propiedades estructurales (distribución de masa y rigidez) Alternativamente, decisión de comprar aspas de catálogo. En este caso, todas las características aerodinámicas (geometría exterior completo) y las propiedades estructurales deben ser conocidas Prediseño del tren de potencia, disposición de elementos, característcas de la caja y el generador (usualmente de diseño especializado o de catálogo, se debe conocer su momento de inercia rotacional !!), flexibilidad de los ejes, etc Prediseño del sistema de alineación y su actuación (activa, pasiva, amortiguada, etc) Prediseño del sistema de control completo, incluyendo filtros, tiempos de retrazo, velocidades de actuación, etc. Estos datos dependen también del método de actuación, eléctrico o hidráulico y serán diferentes para diferentes estados operacionales (gain scheduling). Prediseño de la torre, pensando en sus propiedades dinámicas. Posiblemente incluyendo un sistema de amortiguación. Incluir las propiedades estimadas de elasticidad de la cimentación Prediseño -2 7. 8. 9. 10. 11. Modelación completa del sistema en un programa aero-elastica de respuesta dinámica, como: PHATAS IV (ECN), FLEX5 (Uni. Lyngby), Bladed (Garrad Hassan), Halkyon (CRES) o HAWC (RISO) Composición completa de todas los escenarios de carga (DLC’s, Design Load Cases) ya sea por la norma IEC 61400-1, la norma de GLWind, o la norma Danesa DS 472. Se aconseja la primera por ser la más internacional. La mayor parte de los DLC’s son prescritos, hay algunos específicos que dependen de la tecnología específica de la turbina. El número total será alrededor de 100. Correr todos los DLC’s, y analizar cargas de fatiga y extremas Hacer un análisis de estabilidad aero-elástica de las aspas con la ayuda de programa especiales, como BLADMODE (ECN) Adaptar el diseño preliminar incluyendo el control para mejorar la situación de cargas tanto de fatiga como extremas, basadas en 9 y 10, en estudios de sensitividad con los programas, y en la experiencia del diseñador. Prediseño -3 • El proceso 9, 10, 11 se repita de forma iterativa, con los criterios de optimización que se escogieren, hasta que se contente con los resultados. Los criterios de optimización usualmente son de costo mínimo de energía. Esto involucra relaciones entre cargas, materiales y costos. Estas relaciones pueden salir de la experiencia del fabricante y/o el consultor. Un método para estimar estas relaciones se encuentra en el libro: Robert Harrison, Erich Hau, Herman Snel: Large Wind Turbines, Design and Economics. John Wiley and Sons, UK, 2001. ISBN 0-471-49456-9. Diseño detallo Con los resultados del prediseño, se detallan todos y cada uno de los componentes y partes. Se puede escoger entre 1. componentes de catálogo o de diseño especializado (casi siempre para cajas y generadores, con menor frecuencia para aspas). También sistemas de enfriamiento, rodamientos y actuadores son buenos candidatos Se deben conocer todas las especificaciones detalladas de estos elementos. 2. Componentes de diseño propio, siempre el chasis con la disposición de todos los elementos, la torre, el cubo, los ejes. Estos elementos deben ser specificados en todo detalle y ser analizados por Elementos Finitos, para conocer los esfuerzos mecánicos. También el sistema de montaje debe detallarse completamente 3. El resultado de estas acciones son: especificaciones exactas, dibujos de fabricación completos y dibujos de integración y montaje completos. 4. Se hace análisis de estabilidad estructural (pandeo) de la torre y de las aspas 5. Con el resultado final, se repite el cálculo de todos los DLC’s. Si no se necesita cambias, el resultado de ellos junto con todos los dibujos y especificaciones, formarán parte del material para la certificación. 6. En todo el proceso se actualiza la estimación del costo de turbina, en partes, mano de obra y otros. Preparación para la fabricación • • • • • • Pedir los componentes de catálogo o los de diseño especial en una firma especializada (p.e. caja de cambio), con buena anticipación, antes de empezar el proceso de integración Buscar un sitio de integración de toda la barquilla Preparar la logística de integración Preparar la logística de la instalación de la turbina Preparar manuales de operación, mantenimiento y de seguridad Entegrar todo material necesario (actas de cálculo de diseño, dibujos de manufactura, todo el espectro de cálculos de cargas dinámicas, cálculos de resistencia, manuales, etc.) al organismo de certificacion (DNV o GL) para empezar el proceso de certificación (aprobación del diseño). La fabricación-1 • • • • Fabricar o hacer fabricar todas las partes de diseño específico. Algunas de estas serán por fundición o por forjado. Hacer seguro que el proceso se haga bajo un sistema de Control de Calidad, ISO 9001 ó equivalente Integrar todo la barquilla en el lugar de integración. Se hace una prueba de rotación del eje, para asegurar que todo el tren de potencia y el generador operan adecuadamente. Estas pruebas son de alrededor de un día, y se miden las variables importantes: comportamiento de la temperatura de la caja y del generador, potencia mecánica de entrada, potencia eléctrica de salida, etc. Se acostumbra hacer esta prueba no solamente para el prototipo, pero para cada turbina individual que se integre. Las tres aspas que van en un solo rotor deben ir balanceadas. Si se compran las aspas de un fabricante externo, normalmente el entrega juegos de tres aspas balanceadas para formar un rotor. La fabricación-2 (aspas) • • • • • • La fabricación de aspas se lleva a cabo en moldes. La manufactura de los moldes es muy costoso, y vale la pena solamente si hay buenas perspectivas para vender unos 50 o 100 aspas. Existen empresas especializadas para la fabricación de moldes Usualmente el molde es de dos partes (la parte superior y la parte inferior del aspa. En el molde se aplican todas las laminas de fibra (vídrio o carbono) y normalmente se aplica la resina (poliester of epoxy) en un proceso de inyección, después de envolver el molde y hacer un vacío. Después de la aplicación de la resina se deja curar la resina parcialmente, enseguida se unan las dos mitades con un adhesivo especial. Finalmente se cura el aspa completa. Después de la cura, se pule el aspa, removiendo partes en el borde de entrada (overbite) y enderezando el borde de salida (la parte aguda del perfil). Para minimizar el trabajo de pulido y poder garantizar una mejor forma, hay trabajos de desarrollo para hacer todo el aspa en un solo molde (‘oneshot injection’) El siguiente paso es la aplicación de una lamina brillante y protectora contra erosión, el ‘gel-coat’. Se abran aperturas cilíndricas en la base del aspa, para poner los pernos con los cuales el aspa se fija al cubo Fabricación de Aspas en moldes El proceso mostrado aquí es de ´hand layup´. Actualmente es más común el proceso de inyección al vacío, todavia en moldes de dos partes. Un número muy limitido de fabricantes produce por inyección ´one shot´ en un molde de una sola parte La fabricación-3 (aspas) • • • Para juntar tres aspas en un rotor, se deben balancear las tres aspas, buscando un peso igual y la misma posición del centro de gravedad. Para este propósito, el aspa tienen unas cavidades que se puede llenar con epoxy. Otra particularidad es que el aspa tiene un agujero en su extremo, para evacuar agua de condenso durante la operación Finalmente, el aspa tiene un sistema de protección contra rayos eléctricos, que en aspas muy grandes es muy sofisticado. Consiste de una cantidad de receptores metálicos en la parte superficial del aspa, y un conjunto de cables de conducción. La energía se debe conducir sobre los rodamientos de las aspas, y sobre el rodamiento de alineación, hacia el interior de la torre, y a la tierra por una barra metálica. Aspas de fibra de carbono necesitan mayor cuidado, ya que el carbono es un conductor. Las receptores y su conexión a los conductores, se colocan en el molde en el proceso de fabricación del aspa. Instalación • • • • • • Anterior a la instalación de una turbina en un proyecto eólico, se construyen los caminos de acceso, y se prepara la cimentación, que se deja fraguar. Antes de instalar la torre, se instalan los cabinetes de control eléctrico y de interruptores, ver figura siguiente (no caben por puerta de acceso!) La torre consiste de secciones. La primera sección se una al flange de la cimentación, y se suben las siguientes secciones, que todas se unen con pernos en rebordes interiores. Todas las secciones se suben con una grúa. Después se sube la barquilla completa, con grúa, y se conecta a la parte superior de la torre. Finalmente se sube el rotor con el cubo, que se una al eje de baja velocidad. Dentro del sistema instalada, se hace todas las demás conexiones mecánicas y eléctricas. Instalación de la torre Bajar la base de la torre Instalación sistema eléctrico GE 2.5 Pruebas de certificación o de aceptación • • Parte del proceso de certificación de un prototipo consiste de mediciones al prototipo instalado. Se mide la curva de potencia (P-V), la intensidad de la fuente de ruido (emisión), se investiga todo el sistema de seguridad, y con frecuencia, se miden cargas en las aspas y en la torre. La medición de las cargas no es obligatoria por norma (todavía) pero se hace cada vez más, ya que el trabajo adicional no es mayor. Este proceso puede durar de tres hasta seis meses, dependiendo del régimen de viento en el sitio, y de problemas operacionales con el equipo. En el caso de una turbina ya certificado, en una planta eólica, de cada turbina se hace una prueba de aceptación, llamada la prueba de cien horas, consistiendo en una operación conectada a la red en operación normal, durante 100 horas sin interrupción. Después de superar esta prueba, se considera la turbina lista para la entrega. Manuales de operación y mantenimiento y procedimientos básicos de seguridad • • • Como ya indicado, la turbina se entrega con un conjunto completo de manuales de operación y mantenimiento, y de seguridad,. Esta colección de material también es revisada por la organización de certificación. La seguridad incluye seguridad laboral, para el personal de mantenimiento. Se supone que la turbina se apaga antes de que el personal suba a la barquilla. Además, deben poner el rotor en un estado fijo, sin posibilidades de mover se. Para este propósito, el rotor debe tener un sistema de fijación, normalmente un pasador El personal de mantenimiento debe estar calificado para trabajar en altura y haber sido capacitado para evacuar la turbine por la parte exterior con cuerdas. Costos y tiempos El costo total, hasta la fabricación y la certificación de un prototipo, se estima en aproximadamente 10 millones de Euros (10 MEuro). La distribución de los costos sobre los diferentes fases, y la duración de las fases, se estiman como sigue: • Diseño conceptual, incluyendo un estudio de mercado: 3 meses, 200 kEuro • Diseño preliminar, resultando en un espectro de cargas que pueden ser utilizados para el diseño detallado de todos los componentes: 9-12 meses, 2 MEuro • Diseño detallado: resultando en especificación total y/o dibujos de fabricación de todos los componentes y partes, y en el espectro de cargas final: 12 meses, 2.8 MEuro • Fabricación y ensamblaje del prototipo: 9 meses, 4 MEuro, incluyendo los costos de hardware • Ensayos, mediciones al prototipo y el proceso de certificación: 6-9 meses, 1 MEuro