Generadores de inducción de doble alimentación

CARACTERÍSTICAS DE
LAS TURBINAS
EÓLICAS
MÁQUINAS DE EJE VERTICAL.
Rotor
Nuevo
Diseño:
Molino
provisto
de
brazos
giratorios alrededor de un
eje de giro con la
Savonius
Aerogenerador
Darrieus
particularidad de que a dichos brazos se
unen articuladamente unas palas abatibles.
Las palas abatibles ofrecen la máxima
resistencia al viento cuando se sitúan en la
zona de avance de giro y prácticamente nula
resistencia al viento cuando están en la zona
de retorno del generador.
Giromill
MÁQUINAS DE
EJE
HORIZONTAL.
Algunos sitúan su aparición en Finlandia en el siglo XIX. La opinión
de otros es que el ingeniero Savonius creó este tipo de aerogenerador
en 1920.
Ventaja: El rotor del aerogenerador Savonius es de eje vertical y por
eso no necesita disponer de un mecanismo de orientación.
Acepta mucho mejor los vientos turbulentos que las turbinas que
funcionan por sustentación.
Se frenan automáticamente al llegar a cierta velocidad límite (no se
requiere sistema de freno).
Costo comparativamente bajo.
Requieren bajo mantenimiento.
Desventaja: Aprovechan mal la energía del viento (Límite de Best)
(Coeficientes de potencia cercanos al 15%).
El mecanismo que convierte la energía de giro del aerogenerador en
otro tipo de energía, se sitúa en la base del Savonius.
Forma simple de las palas: En forma de “S”
con el eje en el centro. Es la forma de palas
menos eficiente.
Si las aspas tienen la forma de dos C-s, se obtiene una
mejora del rendimiento, (el viento que circula en el
centro, beneficia el movimiento del mecanismo). La
imagen ilustra el comportamiento aerodinámico de
esta construcción.
Este es el mejor diseño para las aspas del
aerogenerador. Tiene el mejor aprovechamiento del
viento y el hueco del centro no solo permite impulsar
el mecanismo con el viento que circula, además se le
da cierta fuerza de empuje. Su comportamiento
aerodinámico se observa en la segunda imagen.
También es el diseño de más difícil construcción;
requiere planchas de metal bien curvados y cortados.
Éste último diseño es ya muy avanzado. El principio sigue
siendo el del aerogenerador Savonius, pero con todas las
mejoras del conocimiento de la aerodinámica. Es un diseño
muy complejo, pero respetando las medidas del croquis (o
sea, un metro de altura y 30 cm de ancho) se consigue un
aerogenerador capaz de producir más de 100 W de potencia
eléctrica. (ver helix wind)
Su característica principal es que el eje de rotación se encuentra en
posición perpendicular al suelo. La única turbina de estas características
que ha tenido éxito comercial fue patentada por el ingeniero francés
Darrieus en 1931 y producida por la firma estadounidense Flo Wind hasta
que quebró en 1997.
La máquina incluye dos o tres palas en forma de C que giran alrededor del
eje y tiene las ventajas de que los equipos de conversión y control están en
la base del grupo y el aerogenerador no tiene que orientar su posición
según la dirección del viento. En contrapartida, como la velocidad de
viento es menor al nivel del suelo, el rendimiento es bajo.
TIPOS DE AEROGENERADORES DARRIUS
Aerogeneradores bipala. Ahorran el coste de una pala y, por supuesto, su
peso. Sin embargo, necesitan una mayor velocidad de giro para producir
la misma energía de salida, lo que supone una desventaja tanto en lo que
respecta al ruido como al aspecto visual.
Sin embargo, los bipalas pueden ser muy adecuados cuando se requieren
potencias nominales pequeñas, caso de la minieólica, y en aplicaciones
aisladas de la red.
Aerogeneradores de “diseño”. En los últimos tiempos están apareciendo
nuevas turbinas eólicas con diseños muy poco “convencionales”. Es el caso,
por ejemplo, de la máquina “quietrevolution”, de eje vertical y concebida
para ser instalada incluso sobre el tejado de las casas, al igual que pasa con
el generador Enflo.
Enflo
quietrevolution
Introducción
El análisis de los problemas de diseño en turbinas eólicas actuales se
efectúa considerando la optimización en el aprovechamiento del viento
(conversión eólico-mecánica) y la tendencia en el incremento del tamaño
estructural y la potencia a generar. La conversión de la energía eólicamecánica-eléctrica en su totalidad requiere modelos que consideren los
procesos dinámicos que involucran las respectivas estructuras ante la
excitación mecánico-eléctrica a la que se expone el aerogenerador
considerando su interconexión con la red eléctrica.
Las investigaciones y posteriores contribuciones al diseño de los
aerogeneradores actuales se basaron en el tamaño del rotor, la
elasticidad del material, la velocidad de rotación y variación de la
posición angular de la pala, el número de palas, la posición del rotor
respecto a la torre, la elasticidad de la torre, el material de las palas y el
tipo de generación eléctrica.
Este análisis tenía como enfoque directo la conversión eólica-mecánica y
las interacciones estructurales con el viento y el diseño mecánico del
aerogenerador. El avance tecnológico aportó sistemas de control y
electrónica modificando aspectos relacionados a la generación y la
interconexión con la red eléctrica. Estas modificaciones permiten en la
actualidad incrementar la potencia de generación y contar con
aerogeneradores de gran porte.
En el término de 15 años los aerogeneradores han pasado de 250 kW a
potencias superiores a 3 Mw modificando el modelo primitivo en cuanto a
tamaño de estructuras y potencias eléctricas en juego.
Tecnología de los aerogeneradores actuales
la mayoría de los aerogeneradores instalados en el mundo son de
velocidad fija. La mitad aproximadamente, limitan la potencia por entrada
en pérdida, y la mitad emplean un control activo de ángulo de pala. No
obstante, la tendencia actual es que cada vez se construyen más
aerogeneradores de velocidad variable.
La mayoría de los sistemas de velocidad fija emplean generadores de
inducción. Las principales ventajas frente al generador síncrono son el
menor precio, ausencia de circuito de excitación, mejor comportamiento
transitorio y mejor comportamiento ante sobrecarga. No obstante,
también existen turbinas de velocidad fija con generador síncrono
(prototipos MOD instalados en Estados Unidos). Entre los sistemas de
velocidad variable, los generadores más empleados son los asíncronos
doblemente alimentados, pero también existen modelos comerciales con
generador síncrono multipolar.
La tabla siguiente resume las ventajas e
inconvenientes de los distintos métodos de
control de potencia.
Tipo de Control
Ventajas
Entrada en pérdida Simplicidad
Palas fijas
Inconvenientes
Menor aprovechamiento a
vientos altos
Ángulo de pala
Mejor
aprovechamiento
vientos altos
a Mas costosos
Mayor
cantidad
de
averías en el mecanismo
Velocidad variable
Menos ruido
Mas complejo
Control del factor de potencia
Ligera
pérdida
de
Menos esfuerzos mecánicos
potencia en el convertidor
Reducción de fluctuaciones de
tensión
Mejor aprovechamiento a todas
las velocidades de viento
Por último, aunque menos frecuentes, también existen turbinas con generadores
de inducción con convertidores electrónicos entre el estator y la red y con
generadores de reluctancia.
Las características más frecuentes de los aerogeneradores actuales son:
Potencia nominal. La potencia media es aproximadamente 1.5 MW, pero existen
modelos comerciales de mayor potencia.
Diámetro del rotor. Hasta 120 m. La tendencia es hacia modelos mayores
Buje de rotor
Caja multiplicadora de velocidad (en aerogeneradores con generador de
inducción)
Sin caja multiplicadora de velocidad (en aerogeneradores con generador
sincrónico multipolo)
controlador electrónico (posee un ordenador que continuamente monitoriza las
condiciones del aerogenerador)
mecanismo de orientación (activado por un controlador electrónico que vigila la
dirección del viento mediante una veleta)
veleta y anemómetro (miden velocidad y dirección del viento)
Ordenador
sistema hidráulico (propósito primordial del sistema es el de restablecer los frenos
aerodinámicos del sistema generador)
Unidad refrigerante del aceite (para enfriar el multiplicador)
Potencia generada por la Turbina Eólica
1
La ecuación de potencia generada vista anteriormente: P = ρ A V 3
2
La figura a continuación exhibe la potencia que
Desarrolla un aerogenerador con variación de posición de palas
Tipos de Turbinas Eólicas
Turbinas eólicas con velocidad fija: Con generador de inducción conectado
directamente a la red eléctrica (menor costo). Si bien se ha utilizado la
máquina sincrónica en algunos prototipos la máquina de inducción es la
utilizada mayormente en este tipo de turbinas. Poseen caja de engranajes para
elevar la velocidad (20-30 rpm) a una tal que permita usar máquinas eléctricas
de cuatro polos (1500 - 1800 rpm). Se diseñan para obtener una eficiencia
máxima a una velocidad de viento, aunque algunas pueden tener dos
velocidades, es por eso que estos aerogeneradores tienen dos generadores o un
generador con dos bobinados.
Turbinas eólicas con velocidad variable: Si operan dentro de un estrecho rango de
velocidad son similares a las anteriores. Normalmente tienen un generador de
inducción de doble alimentación con un convertidor conectado al rotor.
Requiere caja de engranajes.
Cuando operan dentro de un rango amplio de velocidad están equipados con un
convertidor de frecuencia. Esto permite utilizar un generador de
accionamiento directo con gran diámetro (multipolo), no requiere caja de
engranajes y la góndola es de diseño más simple. El generador a diferencia del
de inducción que requiere importante precisión en el montaje y alineación
estará integrado con la góndola.
1-Casquete de buje 2- Buje del rotor 3- Piezas de prolongación (extender) 4-Eje Principal 5- Rodamientos de eje
principal y carcasa de rodamientos 6-Topbox 7- suspensión del multiplicador 8-Multiplicador 9- Bloqueo del rotor
10- Disco de freno 11-Pinza de freno 12- Acoplamiento 13-Generador 14- Veleta y anemómetro 15-Salida de aire (generador)
16- Suspensión del generador 17-Capota 18-Suspensión de la capota 19-Bancada 20-Torre- Soporte de la zapata de deslizamiento
22- Corona giratoria (de orientación) 23- Multiplicador del sistema de orientación 24- Pala de rotor.
Generadores
•
•
Turbinas de velocidad
constante
– Generadores de
inducción
– No se necesita
sincronización con la red
– Autoarranque
– Necesita una fuente de
kVars
Turbinas de velocidad
variable
– Generadores de
inducción de doble
alimentación
– Generadores sincrónicos
multipolares
Wind turbine technology scheme of a nacelle
with gearbox
Wind turbine technology scheme of a gearless nacelle
Technical development – also for the Offshore market
The currently
biggest wind
turbines
Enercon E-112
Repower 5M
Multibrid M5000
Capacity
4,5 MW
5 MW
5 MW
Hub hight
112 meters
120 meters
102.6 meters
Rotor diameter
114 meters
126 meters
116 meters
Currently installed
5 turbines
1 turbine
1 turbine
(Emden, Wilhelmshaven, etc.)
(Brunsbüttel)
(Bremerhaven)
Anemómetro y veleta
Diseño del Rotor
• Calaje – ángulo de
rotación de la pala a lo
largo de su eje longitudinal
• El cambio de ángulo de
calaje cambia las fuerzas
sobre las palas y el torque
del rotor
• Calaje fijo
• Calaje variable
Existe una tendencia generalizada hacia las máquinas tripala, que
representan la tendencia mas generalizada de los aerogeneradores
actualmente instalados, si bien a medida que aumenta el diámetro de
rotor incrementa el número de modelos bipalas.
En la elección del material de las palas existe una tendencia clara hacia
el uso de la fibra de vidrio-poliester, apareciendo también, especialmente
en fabricantes del Reino Unido palas de laminados madera-epoxy, que
han demostrado tener unas buenas características a fatiga.
En la actualidad se están realizando nuevos desarrollos en fibra de
carbón-poxy, en la esperanza que la previsible disminución en el coste
del material pueda hacer competitivos en el futuro estos nuevos diseños
apreciablemente mas ligeros. En la mayoría de los casos el rotor se
encuentra situado a barlovento de la torre. Esta ubicación presenta la
ventaja de reducir las cargas de fatiga al minimizar el efecto sombre de
la torre y evitar el ruido aerodinámico producido por las palas cuando
el rotor se sitúa a sotavento.
Una de las primeras opciones que se analizaron para la reducción de
peso, es reducir el número de palas. Para un rotor tripala de 60 m.,
el peso de cada pala es de aproximadamente 6 toneladas.
Además, los bujes de los aerogeneradores bipalas suelen ser más ligeros
que los de los tripalas. La reducción total que se puede conseguir
eliminando una pala puede ser evaluado hasta un 30% del peso total. No
obstante, existen desventajas, como la aparición de mayores cargas
asimétricas en el buje, lo que nos llevará a tener que diseñar bujes
basculantes, incrementando su complejidad y coste.
La velocidad específica de diseño afecta al peso del tren de potencia,
esencialmente a aquellos componentes del mismo que se dimensionan
en función del par motor. Para una potencia dada, el par será
inversamente proporcional a la velocidad específica de diseño. La
reducción total del peso que puede conseguirse al incrementar la
velocidad de diseño de 7 a 10, puede evaluarse en un 20 %. El principal
problema radica en el aumento del ruido aerodinámico, al incrementar la
velocidad en punta de pala.
La flexibilidad de la pala es un factor importante en la reducción de
cargas sobre las máquinas. Con respecto a la fluctuación de las cargas,
una pala flexible funciona como un amortiguador de las mismas. La
amortiguación es principalmente de naturaleza aerodinámica, con una
pequeña contribución de amortiguación de tipo puramente estructural. La
flexibilidad se puede conseguir por medio de articulaciones, o por medio
de diseños específicos como vigas flexibles en las zonas de encastre.
La mayoría de aerogeneradores
modernos tienen diseños tripala,
con el rotor mantenido en la
posición corriente arriba (en la cara
de la torre que da al viento),
usando motores eléctricos en sus
mecanismo de orientación.
A este diseño se le suele llamar el
clásico "concepto danés", y tiende
a imponerse como estándar al
resto de conceptos evaluados. La
gran mayoría de las turbinas
vendidas en los mercados
mundiales poseen este diseño. El
concepto básico fue introducido
por primera vez por el célebre
aerogenerador de Gedser.
Los
diseños
bipala
de
aerogeneradores tienen la ventaja
de ahorrar el coste de una pala y,
por su puesto, su peso. Sin
embargo, suelen tener dificultades
para penetrar en el mercado, en
parte porque necesitan una mayor
velocidad de giro para producir la
misma energía de salida. Esto
supone una desventaja tanto en lo
que respecta al ruido como al
aspecto visual. Últimamente, varios
fabricantes
tradicionales
de
máquinas bipala han cambiado a
diseños tripala.
Los
aerogeneradores
monopala
no
están
muy
extendidos
comercialmente, pues los inconvenientes de los bipala también son
aplicables, e incluso en mayor medida, a las máquinas monopala.
Además de una mayor velocidad de giro, y de los problemas de ruido y
de intrusión visual, necesitan un contrapeso en el lado del buje opuesto
a la pala que equilibre el rotor. Obviamente, esto anula el ahorro de peso
comparado con un diseño bipala.
Las turbinas eólicas a barlovento son
las que poseen el rotor o hélice
enfrentando al viento, es decir delante
de la torre. La ventaja básica de este
tipo de máquinas es que evitan la
influencia de la sombra aerodinámica de
la torre. Sin embargo, aunque en menor
medida que en una configuración a
sotavento,
existe
una
pequeña
perturbación. Esto de debe a que en la
porción del área del rotor que enfrenta a
la torre se induce, igualmente, una
variación en el patrón normal de
variación presiones a lo largo de las
líneas de flujo que atraviesan dicho
sector.
Debido a esto estas líneas de flujo empiezan a curvarse antes de llegar
a la torre en si, aún si la superficie de ésta fuera cilíndrica y
perfectamente lisa. Es así que cada vez que las palas del rotor pasen
por las cercanías de la torre la potencia que posee el viento, y que éstas
captan, cae sensiblemente.
En esta configuración el rotor o hélice se
encuentra aguas debajo de la torre, detrás
de ésta respecto a la dirección del viento.
Este sistema posee la fundamental ventaja
de no requerir dispositivo de orientación
alguno, siempre y cuando se diseñe
adecuadamente el rotor y la góndola de tal
modo que haga que la misma "siga" de
forma pasiva a la dirección del viento. Sin
embargo esta manera de orientar a la hélice
se ve obstaculizada por la forma en que se
puede transmitir la corriente saliente desde
el generador ya que una vinculación directa
por medio de cables necesita un control
activo del enroscado de los mismos (si la
góndola ha girado repetidamente en el
mismo sentido por un largo período de
tiempo) y una por medio de anillos rozantes
debe ser muy bien estudiada dadas las
elevadas intensidades de carga que serán
transmitidas.
Límite de Potencia
• Control por pérdida aerodinámica (Stall
regulated)
– La posición de la pala en el cubo es fija
– La potencia es regulada en forma pasiva por el
diseño de la pala
• Control por variación del calaje de las palas
(Pitch regulated)
– La pala puede rotar alrededor del eje longitudinal
– La potencia es regulada en forma activa por
medio del cambio del ángulo de calaje de las
palas