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Instituto de Investigaciones Eléctricas
Gerencia de Energías No Convencionales
Taller de Introducción a la Tecnología
de Aerogeneradores
Módulo 4: Tecnología de aerogeneradores
Marco Borja
(Julio de 2007)
Aerogenerador para interconexión a red
Concepto danés, tres aspas,
eje horizontal
Desarrollo de aerogeneradores para interconexión a red
Componentes básicos de un aerogenerador
Aspas
Transmisión
Generador
Cubo
Freno de disco
Tolva protectora
Motor de orientación
Torre
Chasis principal
Flecha principal
Rotor aerodinámico
Juego de aspas
Cubo
Nariz
Rotor aerodinámico
Principio funcional de un rotor
Variables que influyen
en el
comportamiento de
rotores de
aerogeneradores de eje
horizontal
Flujo en el aspa
PROPIEDADES DEL PERFIL
Coeficiente de levantamiento: CL
Genera una fuerza en la dirección
del giro del rotor y proporciona
trabajo útil.
Coeficiente de arrastre: CD
Genera una fuerza en la dirección
opuesta al giro del rotor que se
opone al movimiento
dL = C L ρ (vrel ) cdr
1
2
2
dD = C D ρ (vrel ) cdr
1
2
2
dFu = dLsenφ − dD cos φ
φ =θ +α
Φ= ángulo de entrada de flujo (velocidad relativa con plano de rotación)
θ = ángulo de paso (cuerda de la sección de aspa con plano de rotación)
α = ángulo de ataque (cuerda de la sección de aspa con la velocidad relativa)
dτ = rl dF
Donde:
dt = Contribución de torque en la flecha del rotor
rl = radio local
Para lograr eficiencia relativamente alta es importante usar un perfil
aerodinámico con alto levantamiento (sustentación) y bajo arrastre.
La fuerza de levantamiento y la fuerza de arrastre no sólo tienen
componentes en el plano del rotor, sino también en el sentido perpendicular
Al plano del rotor (fuerza axial, “empuje”), es decir:
dDax = dL cos φ + dDsenφ
C Dax
Dax
= 1 2 = 4a(1 − a )
2 ρv Ar
CDax = Coeficiente de empuje axial
a = Factor de inducción axial
Coeficiente de potencia de un rotor (Cp)
Potencia extraída (concentrada en la flecha), entre potencia
disponible (recurso eólico)
Pe
C p (v ) = 1
3
Av
ρ
2
C p = 4a (1 − a ) 2
d
dt
1
a=
3
(C p ) = 0
Cpmax = 0.5926
Coeficiente de Betz
Para un valor dado de velocidad del viento, un rotor aerodinámico
sólo puede extraer el 59.26% de la potencia eólica disponible
En realidad, el Cpmax teórico es menor ya que en sus cálculos Betz
despreció algunos factores (cerca de 55%).
En la práctica, los valores máximos de Cp están entre 45 y 50%.
Potencia disponible y aprovechable
AG48m (Cpmax = 45%)
18,000
16,000
14,000
Potencia kW
12,000
10,000
8,000
6,000
4,000
2,000
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Velocidad del viento (m/s)
Concepto de solidez de un rotor
σ=
Aprox. λ2
4a (1 − a )
2
(vrel )
Cd
Cl (α ) cos φ (1 + Cl tan φ )
2
v
La solidez del rotor influye sobre el factor de inducción axial y, por lo
tanto, sobre el coeficiente de potencia
Relación de velocidad de punta de aspa
ΩR
λ=
Vcr
Ω = velocidad angular del rotor
R = radio del rotor
V = velocidad del viento en el centro del rotor (no perturbada)
2
(vrel )
λ ≅
2
(Vcr )
2
Para lograr una buena eficiencia se requiere que el factor de
inducción axial sea cercano a 1/3 sobre toda el área del rotor.
Un buen diseño de rotor aerodinámico se puede lograr con:
1.- λ alto y σ bajo
2.- λ bajo y σ alto
3.- Valores intermedios para ambos
El caso 1 es un rotor “rápido” con pocas aspas (dos o tres) , de forma
esbelta (dos o tres). Este es el diseño que típicamente se usa para
aerogeneradores, porque:
a) Para una potencia dada, el par en el eje es relativamente pequeño
de manera que el tren de transmisión mecánica puede ser más
“liviano”.
b) La relación de velocidades en la caja de engranes necesaria para
alcanzar la velocidad nominal de generadores eléctricos
“convencionales” será menor.
El caso 2 corresponde a un rotor lento, multipala. Produce torque
alto y típicamente se usa para bombeo de agua con bombas de
desplazamiento positivo.
La opción 1 tiene todas las ventajas para generación de electricidad;
Sin embargo, hay dos factores que la limitan:
a) Si la velocidad en el extremo del aspa es mayor que 1/3 de la
velocidad del sonido (cerca de 110 m/s), se puede esperar un
aumento exagerado de ruido (proporcional con ΩR5)
b) Las pérdidas por arrastre se vuelven más importantes con el
aumento de λ, lo que limita su valor entre 8.5 o 9 para rotores
de dos aspas.
Porcentaje de aportación de potencia
Concepto de torcimiento en el aspa
Θ e = Θ a + Θ t (r )
Concepto de conicidad en el aspa
Aspa de un aerogenerador moderno
Cubo del rotor
Ensamble nariz-cubo en un rotor aerodinámico
Para una geometría de rotor, existe un valor de velocidad de viento
a la cual se logra el Cp máximo (velocidad de diseño). Para esta
velocidad, la eficiencia será máxima y, por lo tanto, un factor que
se toma muy en cuenta para la selección del valor de la velocidad de
diseño es la contribución de energía disponible de las velocidades
de viento, de acuerdo con el régimen de viento típico para la
aplicación de la máquina. Esto se toma como punto de partida para
maximizar la conversión de la energía eólica disponible.
Sin embargo, si la velocidad angular del rotor se mantiene “constante”
(muy cerca de un valor determinado) y, además, el ángulo de
ataque no se modifica el Cp disminuirá rápidamente, por lo que no se
obtiene una buena eficiencia global.
Esta es una de muchas razones que dieron origen a las máquinas de
Velocidad Variable.
Coeficiente de potencia
0.5
0.45
0.4
0.35
(%)
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Velocidad del viento (m /s)
18
20
22
24
26
28
Potencia disponible y regulada
9,000
8,000
7,000
Potencia (kW)
6,000
Potencia disponible
5,000
4,000
3,000
Potencia regulada
2,000
Duración de velocidades
1,000
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Velocidad del viento (m/s)
18
20
22
24
26
Curva de potencia
AG 850 Kw
900
800
Potencia
(Kw)
700
Vsupervivencia
600
500
Vinicio
Vnominal
Vsalida
(70)
400
300
200
100
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
V elo cid ad d el vient o ( m/ s)
20
22
24
26
28
30
Regulación de potencia y velocidad
‰
Regulación por pérdida aerodinámica.
(Aspas con montaje fijo al cubo, )
‰
Regulación por cambio del ángulo de paso.
(Aspas móviles desde su raíz).
Rotores de aspas fijas
Regulación por desprendimiento de flujo sobre
un perfil aerodinámico (Stall)
Control de ángulo de paso
Control de ángulo de paso
Actualmente varios modelos de aerogeneradores cuentan con
motores eléctricos de actuación independiente para modificar el
ángulo de paso (o de ataque) de las aspas.
Góndola del Aerogenerador
Tren de potencia
Generador eléctrico
Subsistema de orientación
Subsistema de regulación de potencia
Subsistema de seguridad
Chasis principal
Góndola ensamblada en torre
Ensamble en el chasis de tren motriz generador eléctrico y caja de
engranes
Generadores eléctricos utilizados
Síncronos:
Multipolo
Imanes permanentes
Asíncronos:
Tipo jaula de ardilla
Polos conmutables
Tipo rotor devanado
Generadores asíncronos
Relación entre el par y la velocidad angular de
generadores asíncronos
El deslizamiento requerido para alcanzar la velocidad nominal
(potencia nomina) de un aerogenerador de inducción es muy pequeño.
Esto corresponde a un cambio en la velocidad angular del rotor
aerodinámico cercano a ½ revolución por minuto. Por lo que los
aerogeneradores que usaban este tipo de generadores
eléctricos se conocen como generadores de Velocidad Constante.
Tienen muchas desventajas, entre ellas:
a) Baja eficiencia (ya que no permiten optimizar el Cp).
b) Rigidez, lo que implica muchas cargas dinámicas en rotor y
en el tren de potencia
a) Fluctuaciones en la potencia eléctrica de salida
b) Variaciones de voltaje (flicker)
Configuración típica del tren de potencia en un
aerogenerador con caja de engranes
Conexión de un aerogenerador de
velocidad constante, con generador asíncrono
tipo jaula de ardilla
Fuente: J.G. Slootweg* et al. Simulation of Electrical Power Systems with a High Wind Energy Penetration;
* Electrical Power Systems Laboratory. Delf University of Technology. The Neatherlands
El concepto de Velocidad Variable, elimina muchos problemas y
mejora la eficiencia global.
Por inicio, algunos diseñadores usaron dos generadores eléctricos,
uno para baja velocidades y otro para altas. Esto resultó en mejoras
muy limitadas.
También usaron (y algunos aún usan) generadores eléctricos de
polos conmutables. Esto implementa sistemas de velocidad constante
por etapas. Las mejoras también fueron limitadas.
El concepto de velocidad variable se implementó de tres formas:
a) Generadores multipolo de baja velocidad
b) Generadores de imanes permanentes
c) Generadores de rotor devanado
Generador síncrono de baja velocidad
Rotor
Estator
Conexión de aerogeneradores
de velocidad variable.
Con generador asíncrono
tipo rotor devanado
Con generador síncrono
tipo polos salientes
Fuente: J.G. Slootweg* et al. Simulation of Electrical
Power Systems with a High Wind Energy Penetration;
•Electrical Power Systems Laboratory. Delf University
of Technology. The Neatherlands
Sistema de velocidad variable con acondicionamiento
CA-CD-CA
Aspecto típico comparativo
Con caja de engranes
Sin caja de engranes
Generador
eléctrico
Aspectos de interacción con la red
Aspecto
•
Armónicas
Variaciones en voltaje
(Flicker)
Aerogenerador de
velocidad constante
Aerogenerador de
velocidad variable
No es problema, porque no
incluye electrónica de potencia
que es la principal fuente de
armónicas
Normalmente no es un
problema debido a la alta
frecuencia de conmutación de
la EP.
Puede ser un problema debido a
fluctuaciones de potencia,
especialmente en redes débiles
Normalmente no es un
problema debido a los efectos
de amortiguamiento de la masa
en rotación
Contribución a
corriente de falla
Puede ser un problema ya que el Normalmente no es un
generador está acoplado
problema ya que el convertidor
directamente
electrónico es más rápido de la
protección
Voltaje de estado
estable / Potencia
reactiva
Puede ser un problema porque
el control de la PR / V es
imposible sin medidas
adicionales
Puede ser un problema a factor
de potencia unitario, sin
embargo tiene capacidad de
control de V.
Comparación de aerogeneradores de velocidad variable
Aspecto
Rotor devanado
Polos salientes
•
Electrónica de Potencia Su capacidad puede ser de 1/3 o
aún menor que la capacidad
nominal del generador eléctrico.
Caja de engranes
Se requiere.
Debe ser igual o mayor que la
capacidad nominal del
Generador.
No se requiere, pero el costo del
generador eléctrico es
considerablemente mayor que
el de rotor devanado
Velocidad constante y velocidad variable
Ejemplo de curvas potencia
500 kW nom.
700
Velocidad variable
600
Potencia (kW)
500
Velocidad
constante
400
300
200
100
Vi
0
0
Vn
5
10
Vss
Vs
15
20
Velocidad de l vie nto m/s
25
30
Servomecanismo para Orientación
Zapata de
fijación
Freno del disco en las flechas de alta y baja velocidad
P = Ω ⋅Τ
Τ= F ⋅d
Frenos del disco
Flecha de alta velocidad
Flecha de baja
velocidad
Tipo de tableros de control usados en aerogeneradores
Elementos de protección contra rayos
Cumplimiento de códigos de Red
• Rampas de entrada y salida
• Variaciones de potencia
• Variaciones de voltaje
• Variaciones de frecuencia
• Factor de potencia
• Regulación primaria
• Regulación secundaria
• Tolerancia a fallas
• Operación en isla
Controversias y diferencias a nivel internacional
¿Necesario? ¿Posible? ¿Económicamente viable?
Torre tubular del aerogenerador
Diseño de aerogeneradores
(Eje horizontal)
Normas IEC:
61400-1 Ed. 3 (2007): Design requirements
61400-11 (2003): Acoustic noise measurement techniques
61400-12 (2005): Power performance measurement techniques
61400-13 (2001): Measurement of mechanical loads
61400-14 (2005): Declaration of apparent sound power level and
tonality values
61400-21 (2001): Measurement and assesment of power quality
61400-23 (2001): Full-scale structural testing of rotor blades
61400-24 (2002): Lightning protection
61400-25 (2006): Communicatios for monitoring and control
1: Overall description of principles and models
2: Information exchange models
3: Conformance testing
ISO 81400-4 (2005): Design and specification of gearboxes
Normas IEC:
61400-1: Design requirements
Requiere el uso de un modelo de dinámica estructural para predecir
las cargas de diseño.
Clasificación de aerogeneradores por tipos de régimen de
viento de aplicación (IEC-1400-1)
Parámetros
Clase I
Clase II
Clase III
Clase IV
V ref (m/s)
50
42.5
37.5
30
V anual (m/s)
10
8.5
7.5
6
0.17
0.17
0.17
0.17
σv/V
A: Turbulencia característica = 0.18 (15 m/s)
B: Turbulencia característica = 0.16 (15 m/s)
Vref = Velocidad estacionaria máxima con periodo de retorno
de 50 años
Ve50 = Velocidad máxima en tres segundos con período de retorno
de 50 años (Ve50 = 1.4*Vref)
Modelos (turbulencia, perfil)
Datos de viento
Simulador
de
Cargas
Otros parámetros
(Riso, ECN, Germanisher Lloyd, Garrad Hassan) == I+D
Resultados