Sistemas de control de pitch Sistemas de control de Yaw

SESION 2 ENERGÍA EÓLICA
Ing. Gonzalo Guerrón MSc
16/10/2014
1. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de captación
Las maquinas eólicas han experimentado cambios en cuanto a su diseño, estos están
integradas por un conjunto de subsistemas cuyo objetivo es captar la energía cinética
del viento y transformarla en energía eléctrica.
Fuente: http://bancaresponsable.com/cambio-climatico-y-energias-renovables-un-enfoque-sectorial/molinos-de-viento/
1. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de captación
Los aerogeneradores constan de las siguientes
partes:
Fuente: http://bancaresponsable.com/cambio-climatico-y-energiasrenovables-un-enfoque-sectorial/molinos-de-viento

Sistemas de captación.

Sistemas de generación eléctrica.

Sistemas de orientación.

Sistemas de regulación y control.

Sistemas de soporte.
1. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de captación
La energía cinética de la masa de
aire se convierte en energía
mecánica absorbida por el rotor.
Fuente: http://bancaresponsable.com/cambio-climatico-y-energias-renovables-un-enfoque-sectorial/molinos-de-viento/
1. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de captación
La energía transferida del sistema
mecánico es transformada en energía
eléctrica mediante un generador
eléctrico.
Fuente: http://bancaresponsable.com/cambio-climatico-y-energias-renovables-un-enfoque-sectorial/molinos-de-viento/
1. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de captación
El subsistema de captación es el encargado de
transformar la energía cinética del viento en
energía mecánica de rotación.
Está integrado por el rotor, el cual se compone de
las palas y del buje.
Fuente:www.eoi.es
1. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de captación
Eje horizontal
Clasificación de los
Aerogeneradores.
Eje vertical
1. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de captación
Aerogenerador de eje vertical
Los aerogeneradores de eje vertical, con
mayor desarrollo han sido los denominados
Darrieus.
Estas turbinas presentan ciertas ventajas:
Fuente: www.renovables-energia.com
•
No
necesitan
orientación.
mecanismo
de
•
Facilidad de instalar el generador
eléctrico en tierra,
1. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de captación
Aerogenerador de eje vertical
Desventajas
Fuente: www.renovables-energia.com
•
Menor producción energética, a igual potencia
instalada respecto a un aerogenerador de eje
horizontal.
•
Necesidad de motorizar el aerogenerador para
su arranque.
1. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de captación
Aerogenerador de eje horizontal
Los aerogeneradores de este tipo
poseen un sistema de captación más
desarrollados y utilizados en la
producción energía, empleándose
desde capacidades del orden de vatios
a
grandes
aerogeneradores
de
potencia de varios MW.
Fuente: http://www.dicyt.com/viewItem.php?itemId=6333
1. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de captación
El rotor
El rotor es a menudo considerado como el
subsistema más importante, tanto desde el punto
de vista del funcionamiento y en costos de
fabricación.
Los componentes más importantes del rotor son:
Las palas.- son los dispositivos que convierten la
fuerza del viento en el par necesario para generar
potencia útil. (Eggleston y Stoddard, 1987).
Buje.- Es un soporte donde conecta las palas al
árbol principal.
Fuente: http://www.dicyt.com/viewItem.php?itemId=6333
1. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de captación
El rotor con eje horizontal.
Los rotores tipo hélice (rápidos), giran a mayores velocidades y presentan mejores
rendimientos aerodinámicos que los rotores multipala (lentos), por lo que se suelen
destinar a la generación de electricidad.
Rotores rápidos
Rotor lentos
Fuente:www.energias.bienescomunes.org
1. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de captación
El rotor con eje horizontal.
Los rotores se clasifican en:
• Rotor mono-pala
• Rotor tri-pala
• Rotor bi-pala
Fuente:www.tipos-de-energia.blogspot.com
1. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de captación
El rotor con eje horizontal.
Los rotores mono-pala, características
principales:
 Económicos
 Menor peso
 Más ruidosos
 Requieren de un contrapeso que equilibre la
pala
Fuente:www.tipos-de-energia.blogspot.com
1. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de captación
El rotor con eje horizontal.
Los rotores bi-pala características
principales:
 Económicos y ligeros que los tripala,
 Ruidosos debido a que necesitan girar a
mayor velocidad que los tripala para
producir la misma energía.
Fuente:www.tipos-de-energia.blogspot.com
1. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de captación
El rotor con eje horizontal.
Los rotores tri-pala como su nombre indica consta
de tres palas, estas se fabricarán individualmente,
deben unirse a un buje metálico.
La utilización en parques eólicos de los
rotores rápidos es:
 Tri-pala 68%
 Bi-pala 26%
 Mono-pala 6%
Fuente: http://www.fundacionlasminasdearoa.org/glosario-energetico/
1. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de captación
Aerodinámica del subsistema de captación
Albert Betz (1885-1968), físico Alemán que
participó en la elaboración de las bases teóricas
de los modernos aerogeneradores, publicó en
1919 una teoría, conocida como ley de Betz.
Según esta ley no puede convertirse más del
16/27 (el 59,3%) de la energía cinética del
viento en energía mecánica mediante una
turbina eólica. (Le Gouriére’s, 1982; Manwell et al, 2002;
Burton et al, 2001).
Fuente: http://energythic.com/view.php?node=174
1. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de captación
Aerodinámica del subsistema de captación
La potencia máxima en el rotor de una turbina eólica viene dada:
16 1
𝑃𝑟 =
𝜌𝐴𝑣13
27 2
𝑊
Donde:
• A => Área barrida por el rotor, o la densidad del
aire
• V1 => Velocidad del viento aguas arriba del
rotor (velocidad no perturbada).
• Límite => 16/27 equivalente 59,3%
Fuente: http://energythic.com/view.php?node=174
1. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de captación
La potencia de los rotores con mayor tecnología, no supera en general el 70% o
80% de la potencia máxima calculada con la fórmula de Betz. Es decir, la
potencia del rotor de una turbina eólica.
𝑃𝑟 = 𝐶𝑃
1
1
𝜋𝐷2 3
3
𝜌𝐴𝑣1 = 𝐶𝑃 𝜌
𝑣1 (𝑊)
2
2
4
Cp => Coeficiente de potencia del rotor
ρ => Densidad del aire
D => Diámetro del circulo de barrido de las palas
v => velocidad del viento
Fuente: Carta José, Calero Roque, Colmenar Antonio, Castro Manuel, Centrales de energías renovables, 2009
1. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de captación
Sistema de Captación
En función de la disposición del rotor frente a la velocidad
del viento estos pueden clasificarse en rotores:
Rotor a Sotavento
• No necesita mecanismo de orientación.
• Palas menos
• rígidas.
• Altas cargas de fatiga por efecto de
sombra
Rotor a Barlovento (más empleado):
• Evitan efecto sombra de la torre.
• Necesitan mecanismo de orientación.
Fuente: http://www.fundacionlasminasdearoa.org/glosario-energetico/
1. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de captación
Control de las palas
Las palas puedan o no girar respecto a su
eje longitudinal, los rotores se clasifican
en rotores de paso variable o rotores de
paso fijo.
Los rotores de paso variable permiten una
mayor producción energética ya que se
puede lograr una mejor adaptación
aerodinámica de la pala al viento
incidente.
Fuente: http://energythic.com/view.php?node=174
1. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de captación
Sistemas de control de pitch
Permite regular con total control y precisión el
ángulo de paso de pala, permitiendo extraer la
máxima energía del viento.
Regulación pasiva por pérdida aerodinámica
(“stall-controlled”)
Se presenta por pérdida aerodinámica tienen
las palas del rotor unidas al buje en un ángulo
fijo
Sistemas de control de Yaw
Sistema para orientar el aerogenerador en la
dirección del viento (rotor a barlovento).
Orienta la máquina según la señal de control
de la veleta
Fuente: http://energythic.com/view.php?node=174
1. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de captación
Buje
El buje de la turbina eólica es el
componente que conecta las palas al árbol
principal.
Existes tres tipos básicos de bujes que se
aplican en las turbinas de eje horizontal:
• bujes rígidos,
• bujes balanceantes (denominados en
inglés teetering),
• bujes
para
palas
articuladas
(denominados en inglés hinged hub).
Fuente: http://energythic.com/view.php?node=174
1. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de captación
Subsistema de transmisión mecánica
Los aerogenerador está compuesto por
todas las partes en rotación de la
turbina.
Éstas incluyen un árbol de baja
velocidad:
• Acoplamientos
• Freno
• Caja multiplicadora de engranajes
• Árbol de alta velocidad.
Fuente: Carta José, Calero Roque, Colmenar Antonio, Castro Manuel, Centrales de energías renovables, 2009
1. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de captación
Subsistema de transmisión mecánica
Existen dos tipos básicos de cajas de
engranajes
usadas
en
los
aerogeneradores:
• Cajas de engranajes de árboles
paralelos.
• Cajas de engranajes planetarios.
En algunos diseños no se considera el
uso del multiplicador, siendo sustituida
su función por elementos de carácter
eléctrico o electrónico.
Fuente: http://opex-energy.com/eolica/multiplicadoras%20aerogeneradores.html
1. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de captación
Direct drive
Fuente: http://opex-energy.com/eolica/multiplicadoras%20aerogeneradores.html
2. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de generación eléctrica
El sistema eléctrico de un aerogenerador incluye todos los dispositivos que intervienen
en el proceso de conversión de la energía mecánica en energía eléctrica.
La generación eléctrica de un aerogenerador puede realizarse a través de:
Generadores eléctricos asíncronos, con los siguientes tipos de rotor:

Rotor jaula de ardilla

Rotor devanado con resistencias variables

Rotor devanado doblemente alimentado
Generadores síncronos, con los siguientes tipos de excitación

Síncronos con excitación con electroimanes

Síncronos con excitación con imanes permanentes
2. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de generación eléctrica
Generadores asincrónicos
Los motores asíncronos son máquinas rotativas de flujo variable y sin colector. El campo
inductor está generado por corriente alterna. Generalmente, el inductor está en el
estator y el inducido en el rotor.
La velocidad de giro (n) de este tipo de generadores está ligada con la de sincronismo
(ns) por el denominado deslizamiento (s).
𝑆=
𝑛 − 𝑛𝑠
𝑛𝑠
Fuente: Carta José, Calero Roque, Colmenar Antonio, Castro Manuel, Centrales de energías renovables, 2009
2. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de generación eléctrica
El generador asíncrono necesita tomar energía de la red para crear el campo de
excitación del estator. Esta energía, al alimentar una bobina, consumirá corriente
desfasada de la tensión (energía reactiva), con lo que la línea eléctrica de distribución a
la que se encuentra conectada la instalación eólica.
Fuente: Carta José, Calero Roque, Colmenar Antonio, Castro Manuel, Centrales de energías renovables, 2009
2. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de generación eléctrica
Generadores asíncronos con control de deslizamiento.
Para controlar un generador asíncrono de velocidad variable se logra modificando
el deslizamiento.
Algunas turbinas disponen de control dinámico del deslizamiento, para ello
emplean resistores en el rotor del generador eliminando la necesidad de usar
anillos de deslizamiento.
Fuente: Carta José, Calero Roque, Colmenar Antonio, Castro Manuel, Centrales de energías renovables,
2009
2. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de generación eléctrica
Generadores sincrónicos
El generador síncrono está compuesto principalmente de una parte móvil o rotor y de una
parte fija o estator, el principio de funcionamiento de un generador síncrono se basa en
la ley de Faraday.
Para crear tensión inducida en el (estator), debemos crear un campo magnético en el
rotor o circuito de campo, alimentando el rotor con una batería, este campo magnético
inducirá una tensión en el devanado de armadura por lo que tendremos una corriente
alterna fluyendo a través de él.
60𝑓
𝑛𝑠 =
𝑝
La velocidad de sincronismo, en rpm, está
relacionada con el número de pares de polos
(p) de la máquina y con la frecuencia de la
corriente eléctrica (f) en Hz, según la
Ecuación
2. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de generación eléctrica
Generadores síncronos operan a velocidad de giro constante y conectados
directamente a la red.
Generadores síncronos con
convertidores AC/DC/AC
operando a velocidad de giro
variable conectados a la red
Fuente: Carta José, Calero Roque, Colmenar Antonio, Castro Manuel, Centrales de energías
renovables, 2009
2. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de generación eléctrica
Aerogenerador de velocidad fija
Fuente:http://scielo.sld.cu/scielo.php?pid=S1815-59012012000200007&script=sci_arttext
2. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de generación eléctrica
Aerogenerador de velocidad variable doblemente
alimentado
Fuente: http://scielo.sld.cu/scielo.php?pid=S1815-59012012000200007&script=sci_arttext
3. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de orientación
El cambio de dirección del viento incidente hace necesaria la orientación del rotor
situándose perpendicularmente a dicha dirección.
Existen dos clases de sistemas de orientación: orientación activa y orientación
pasiva
Las turbinas con orientación
activa normalmente disponen de
rotor a barlovento.
Para realizar la orientación se
utiliza la información obtenida a
partir de los datos de dirección de
viento y posición de la máquina.
3. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de orientación
Los sistemas de orientación denominados pasivos cuentan con elementos mecánicos
que aprovechan las propias fuerzas aerodinámicas para realizar las maniobras de
orientación.
Las turbinas pequeñas normalmente emplean veletas.
Si la velocidad del viento
actúa sobre la misma, se
genera un empuje sobre la
cola aerodinámica que obliga
a la turbina a realizar un giro
y
colocar
el
rotor
perpendicular a la dirección
del viento.
Fuente:www.sumiseran.es
4. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de regulación y control
Control
Para generar potencia de forma óptima las turbinas necesitan de un subsistema
de control que enlace la operación de todos los componentes del aerogenerador.
El subsistema de control y
regulación tiene la misión
incrementar la captación de
energía cinética del viento,
mejorar la potencia eléctrica
generada
y
garantizar
un
funcionamiento seguro de la
máquina
Fuente: Carta José, Calero Roque, Colmenar Antonio, Castro Manuel, Centrales de
energías renovables, 2009
4. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de regulación y control
Los sistemas de regulación permiten que la máquina se adapte a cualquier
condición del viento y de potencia, para esto se modifica el ángulo de ataque a las
palas y el par de generador eléctrico.
El control de la velocidad de giro
en sistemas aislados mediante el
control del ángulo de paso de las
palas solo es posible si la potencia
suministrada por el viento, y no
puede ajustarse a las fluctuaciones
extremadamente breves.
Fuente: http://rabfis15.uco.es/lvct/tutorial/41/tema20/tema20-2.htm
2. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de soporte
Fuente:www.aulatecnologia.com
5. Componentes de los Aerogeneradores,
Sistemas de soporte
Góndola.
La góndola está formada por el
bastidor o estructura portante de
acero en el que se montan la
mayoría
de
los
distintos
subsistemas de la máquina eólica
y la carcasa que, diseñada de
forma aerodinámica, los protege
de los agentes atmosféricos.
Fuente: http://rabfis15.uco.es/lvct/tutorial/41/tema20/tema20-2.htm
5. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de soporte
Góndola
Es el chasis principal del aerogenerador,
se sitúa en la parte superior de la torre,
en su interior se encuentran los
elementos eléctricos y mecánicos.
Lleva instalado un anemómetro y una
veleta conectados a los sistemas de
control de aerogenerador, y unos
respiraderos
para
garantizar
la
refrigeración del motor. Se construyen
en acero forjado y placas de fibra de
vidrio.
Fuente:www.aulatecnologia.com
5. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de soporte
Torre
La torre es el elemento encargado
de elevar el rotor de la máquina
respecto del nivel del suelo. La
altura mínima de la torre está
condicionada por el diámetro del
rotor del subsistema de captación
y la altura máxima por el coste y
la dificultad de instalación.
Fuente:www.motiva.fi
5. Componentes de los Aerogeneradores
Sistemas de soporte
Cimentación
La cimentación de hormigón armado cuya
dimensión depende de las características del
terreno, del tamaño de la máquina eólica y de
las condiciones mecánicas que produzca el
régimen de vientos de la zona de instalación.
Fuente:www.evwind.com