T1 – Caracterización del funcionamiento de centrales eólicas. Adrián Llamas Barberá 2º Energías Renovables Gestión del montaje de parques eólicos 1 Índice 1. SISTEMAS DE APROVECHAMIENTO EÓLICO........................................................................4 2. ENERGÍA EÓLICA......................................................................................................................... 4 3.METEOROLOGÍA, VIENTO...........................................................................................................5 3.1- Partes de la atmósfera............................................................................................................... 5 4- MEDICIÓN DEL RECURSO EÓLICO..........................................................................................7 4.1- Recurso eólico:......................................................................................................................... 8 4.2- Estaciones meteorológicas......................................................................................................11 5- PARQUES EÓLICOS.................................................................................................................... 12 5.1- SISTEMAS AISLADOS........................................................................................................12 5.2- SISTEMAS CONECTADOS A RED.....................................................................................12 5.3- COMPOSICIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE UN PARQUE EÓLICO..............................13 5.3.1- Infraestructura civil:........................................................................................................14 5.3.2- Infraestructura eléctrica:.................................................................................................14 5.3.3- Funcionamiento de un parque eólico:.............................................................................14 5.3.4- Emplazamiento e impacto ambiental..............................................................................15 Pasos para aplicar la curva de Weibull en el estudio del potencial eólico:...............................16 5.3.5- Funcionamiento global y configuración de la instalación..............................................19 5.3.6- Sistemas de seguridad.....................................................................................................22 6- ESPECIFICACIONES Y DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS Y ELEMENTOS CONSTITUYENTES DE UNA INSTALACIÓN DE ENERGÍA EÓLICA.....................................22 6.1- Por su potencia....................................................................................................................... 22 6.2- Por posición del rotor respecto al viento................................................................................23 6.3- Por posición de eje de trabajo.................................................................................................23 6.4- Por cantidad de palas en el rotor.............................................................................................24 7- AEROGENERADORES Y SUS COMPONENTES.....................................................................25 7.1- Configuración mecánica......................................................................................................... 25 7.1.1- TORRE........................................................................................................................... 25 7.1.2- CIMENTACIÓN.............................................................................................................27 7.1.3- CARCASA..................................................................................................................... 27 7.1.4- BASTIDOR.................................................................................................................... 27 7.1.5- EJE PRINCIPAL.............................................................................................................28 7.1.6- ROTOR........................................................................................................................... 28 7.1.7- PALAS............................................................................................................................ 29 7.1.8- RODAMIENTOS DE LA PALA....................................................................................29 7.1.9- BUJE...............................................................................................................................29 7.1.10- CONO – NARIZ...........................................................................................................30 7.1.11- SISTEMA DEL PITCH................................................................................................ 30 7.1.12- MULTIPLICADORA...................................................................................................30 7.1.13- SISTEMA YAW............................................................................................................32 7.1.14- SISTEMAS HIDRÁULICOS....................................................................................... 33 7.1.15- SISTEMAS DE FRENADO.........................................................................................33 7.1.15- GENERADORES ELÉCTRICOS................................................................................34 7.1.15.1- Diseño de aerogeneradores y conexión a red........................................................36 7.1.15.2- Características generales a tener en cuenta...........................................................37 7.1.16- TRANSFORMADORES.............................................................................................. 38 7.1.17- CONDUCTORES......................................................................................................... 39 7.1.18- EQUIPOS DE MEDIDA..............................................................................................40 2 7.1.18- EQUIPOS DE CONTROL........................................................................................... 41 7.1.19- Equipos de corte y protección.......................................................................................43 7.1.20- Sistema de protección contra rayos..............................................................................43 8- Planificación de obra civil – Unidad de obra.................................................................................43 8.1- UNIDAD DE OBRA.............................................................................................................. 43 8.1.1- ZANJAS DE MT............................................................................................................ 44 8.1.2- CIMENTACIÓN.............................................................................................................45 8.1.3- SUBESTACIÓN ELÉCTRICA......................................................................................45 3 1. SISTEMAS DE APROVECHAMIENTO EÓLICO Importante conseguir uso racional de la energía • Aprovechar y almacenar energía aportada por el sol, agua, viento. • Transformar esa energía en productos • Perfeccionar los sistemas que consumen energía llevándolos a rendimientos cada vez más altos. (1ª Ley de la termodinámica : Reducir pérdidas en la conversión de la energía) Existen diferentes fuentes de donde se puede extraer energía según su disponibilidad en la naturaleza: Fuentes renovables – Recursos energéticos que se pueden regenerar de forma constante pero que dependen de causas externas e incontrolables. Por ende, son alternativos en momentos del tiempo. Fuentes no renovables – Recursos limitados en la Tierra pero que si dispones de ellos son instantáneos y sin dependencia externa. 2. ENERGÍA EÓLICA Mediante un aerogenerador, se transforma la energía eólica en energía eléctrica. Se capta la energía cinética del viento la cual mueve las palas del aerogenerador produciendo una conversión del la energía a mecánica y esta por medio de un proceso de multiplicación dentro del aerogenerador de transforma en energía eléctrica dentro de un generador eléctrico. 4 3.METEOROLOGÍA, VIENTO Atmósfera : capa gaseosa que envuelve la Tierra con un espesor de 800 a 1.000 km de altura. Constituida por aire, cuya composición y temperatura varía según la altura. 3.1- Partes de la atmósfera - TROPOSFERA: • De 8 a 15 km de espesor • Se producen la mayoría de los meteorológicos • Tª desciende 6,5ºC cada km • 75% del total de la masa gaseosa de la atmósfera y casi todo el vapor de agua. - ESTRATOSFERA: • Hasta los 50km de altura • Predomina el Ozono a causa de la descomposición del Oxigeno cuando es alcanzado por los rayos cósmicos • Actúa como barrera protectora ante los rayos solares - MESOSFERA: • Hasta una altura de 80km de altura • Temperatura desciende hasta los -90ªC • Contiene pequeña parte de ozono y gases de sodio importantes en los fenómenos luminosos de la atmósfera - IONOSFERA: • Hasta los 800km de altitud • Sus componentes gaseosos están formados por átomos cargados eléctricamente (iones) - EXOSFERA: • Capa más externa de la Tierra • Compuesta por Hidrógeno y helio • Llega hasta los 2.000km de altitud 5 ➢ Composición de la atmósfera El aire que forma la atmósfera es una mezcla de gases de partículas sólidas y líquidas en suspensión. El 97% de esta masa de aire se encuentra a menos de 30km de altitud encontrándose el 75% de esta en la troposfera. Este porcentaje es tan homogéneo que se considera como un único gas que se comporta siempre igual. Además, cuando existe un porcentaje de humedad en el aire es porque se le suma un porcentaje extra de agua a este. A mayor temperatura, más porcentaje de agua en el aire y como sería lógico, más densidad pero esto es imposible ya que aunque si que es verdad que se añade una mayor densidad al aire esta se contrarresta por el efecto del calor en el mismo ya que a mayor temperatura más se dilatan las partículas de aire y por ende menos denso. En eólica buscamos aires con una densidad alta ya que son capaces en un volumen de aire determinado mover más partículas y por ende son capaces de transmitir más energía. Esto se consigue con aires más fríos ya que son más densos a causa de que en un aire frio al tener menos temperatura, las partículas del mismo no se mueven tanto y por consecuencia ocupan menos espacio haciendo que en un mismo volumen de aire quepan más partículas del mismo. ➢ Composición de la atmósfera. Los rayos solares inciden en el globo de forma diferente dependiendo de la latitud (perpendiculares en el ecuador y oblicuos en los polos). Esto hace que se produzcan masas de aire con diferentes temperaturas y por ende que unas tiendan a subir y otras a bajar para ocupar ese espacio, creando corrientes de viento como consecuencia. Una masa de viento caliente asciende ya que tiene menos presión y una fría baja por lo contrario. Pero esto no es el único porque. • Por fuerzas gravitacionales: Aceleración del aire por causa de la gravitación terrestre • Fuerzas de rozamiento : Cerca de la superficie el aire se frena ya que se encuentra obstáculos. A medida que se asciende esta fuerza se disminuye llegando a un régimen de viento totalmente lineal y paralelo a la superficie ( régimen vertical del viento) • Fuerzas de Coriolis: El efecto del movimiento de rotación de la tierra produce un desplazamiento del viento en el hemisferio Norte en sentido de las agujas del reloj y en sentido contrario en el Sur. 6 Circulación Planetaria A gran escala se tienen en cuenta los efectos de Coriolis y los efectos de las diferencias de presión. Si solo existiese el segundo fenómeno los ciclos de viento serían cíclicos y continuos. Pero cuando se introduce a Coriolis en la equación, se producen desviaciones del aire respecto al ciclo normal creando remolinos (borrascas, anticiclones). De modo que se pueden dividir en 3 partes cada hemisferio a causa de este modelo (Tropical, Templada, Polar) Borrasca: Baja presión, poca temperatura. Anticiclón: Alta presión, alta temperatura. Circulación a escala local. En este caso se atiende más al régimen vertical del viento y a las perturbaciones de cada terreno en concreto. No es lo mismo estar en un lugar costero que en mitad de un valle. Para ello se deberá de estudiar en cada situación unas medidas de presión, velocidad y densidad del viento 4- MEDICIÓN DEL RECURSO EÓLICO. La potencia que va a generar nuestra turbina eólica siempre dependerá de la cantidad de energía que transporte el viento donde lo vamos a situar y por ende de la rentabilidad del proyecto. Para ello, se debe de instalar una estación meteorológica la cual nos permita medir unos valores imprescindibles para calcular esa energía cinética del viento. Así pues, podremos medir los valores reales de velocidad, dirección y variabilidad del viento. Existen 3 componentes imprescindibles: 1. Velocidad del viento: Parámetro crítico. Porque la potencia que nos transmite el viento es siempre el cubo de su velocidad (Ej: si el viento va a una V=2, nos da una potencia de 8 pero si va a una V de 4 nos dará una potencia de 64) [ P = V3 ]. Además, las turbinas eólicas necesitan un mínimo de velocidad PEQUEÑAS = 3,5 m/s GRANDES = 6 m/s 2. Turbulencia del viento: En eólica se intenta siempre proporcionar a las palas una velocidad de viento lo más constante posible. De ahí que se coloquen siempre fuera de la 7 parábola de rozamiento del viento con la superficie terrestre. Pero aún así, se sebe de calcular si en ese espacio determinado el viento produce una turbulencia que puede descompensar el movimiento de las palas. Para poder calcular eso, en las EM se calculan los mismos parámetros a diferentes alturas para así compararlas entre ellas ( si son muy diferentes en un largo periodo de tiempo, existen turbulencias ) 3. Densidad del aire : Tª baja – densidad alta - + Energía / Tª alta – densidad baja – Energía LEY DE BETZ El límite de Betz es un principio fundamental en la energía eólica que establece la eficiencia máxima teórica con la que un aerogenerador puede convertir la energía cinética del viento en energía mecánica. Este límite fue formulado por el físico alemán Albert Betz en 1919. Según el límite de Betz, ningún aerogenerador puede capturar más del 59.3% de la energía cinética del viento que pasa a través de sus palas. Esto se debe a que, para extraer energía del viento, el aerogenerador debe permitir que parte del viento continúe fluyendo a través de él. Si el aerogenerador detuviera completamente el viento, no podría seguir generando energía. En la práctica, los aerogeneradores modernos alcanzan entre el 35% y el 45% de eficiencia debido a factores como la resistencia aerodinámica de las palas, las pérdidas mecánicas y eléctricas, y las condiciones variables del viento 4.1- Recurso eólico: Para poder calcular la energía disponible del viento en un lugar hay que hacer una prospección eólica. • Prospección eólica: Evaluar y analizar el potencial de un área determinada para la extracción de la energía eólica. • Estudios preliminares: Se basa en analizar datos obtenidos anteriormente en lugares cercanos y hacer estimaciones lo más acertadas posibles. (Estudio de mapas eólicos y datos meteorológicos) 8 Interpolar: conocer un dato nuevo entre dos datos conocidos. Extrapolar: conocer un dato nuevo fuera del rango de los datos conocidos. (Estas aproximaciones nos ayudan a obtener datos aproximados a la realidad pero luego se deberá de hacer un estudio detallado en cada caso) Algunos de los datos que se deben de tener en cuenta son los siguientes: • Distribución de velocidades medias del viento - Se refiere a la velocidad promedio del viento en un lugar específico durante un período determinado. • Distribución de probabilidad de velocidades del viento - Describe cómo se distribuyen las velocidades del viento en un lugar específico durante un período determinado. Esta distribución se utiliza para modelar la frecuencia con la que ocurren diferentes velocidades del viento. • Distribución de frecuencia de dirección - Nos dice cuales son las direcciones hacia donde se dirige el viendo con mayor probabilidad en un punto. Esto nos ayuda a saber cual deberá de ser la posición predominante del aerogenerador. • Variación del viento con la altura - Hace referencia al régimen del viento en esa zona, es decir, a cómo cambia la velocidad y dirección del viento con la altura en la atmósfera. Esta variación de velocidad se debe a la fricción del viento con la superficie terrestre, a la temperatura ya que, se pueden crear capas de inversión térmica donde a más altura más aire caliente por ende menos energía y por último a la topografía del terreno. • Variaciones de la densidad según estación, diurnidad y altura - También está relacionado con las diferencias de temperatura. A mayor temperatura, menor densidad del viento • Interacciones de estelas entre aerogeneradores. - Cuando un aerogenerador obtiene energía del viento, provoca alteraciones en el llamadas turbulencias. Dejando una estela detrás suya que puede seguir hasta unos 10km. Esto se debe a la baja viscosidad del mismo que hace que una perturbación en el se 9 prolongue mucho en el tiempo. Para poder poner un Aerogenerador en frente de otro se debe de tener esto en cuenta y al menos se debe de dejar una distancia entre los dos de unas 5 veces el diámetro del aerogenerador. Aún así, el aerogenerador que vaya detrás del otro no consigue obtener el aire totalmente laminar. Pero se comprende como un estado turbulento aceptable. • Influencia de la topografía - Solo se puede estudiar mediante programas informáticos simuladores los cuales indican por logaritmos estadísticos como va a variar la dirección del viento teniendo en cuenta la orografía del terreno deseador. Esto es muy útil ya que el viento es muy turbulento y tiende a cambiar de dirección constantemente cuando se encuentra obstáculos a su paso. • Estadística de ráfagas y valores extremos del viento - Por un lado, la estadística de ráfagas se estudia para así saber si la distribución de probabilidad y de velocidades medias es real o porque se producen alternaciones entre ráfagas lentas y altas. Por otro lado, los valores extremos se calculan para poder elegir los materiales que van a tener que emplear para construir los aerogeneradores. • Condiciones atmosféricas especiales. Roseta de viento: Diagrama circular donde se implantan como referencia los polos geográficos terrestres (S,N,E,W) y donde se representan de forma gráfica las frecuencias de velocidades y direcciones del viento en una determinada zona. [También se empiezan a estudiar la radiación solar en los puntos donde se quiere implantar un aerogenerador, los materiales poliméricos tienden a degradarse con la suma del oxígeno y los rayos ultravioleta. Se utiliza el piranómetro] 10 4.2- Estaciones meteorológicas. Utilizan diferentes sensores y utensilios para medir densidad, velocidad, temperatura y dirección del viento junto con otros que recaban información de porcentaje de lluvia y radiación solar. Cada estación meteorológica estará definida por sus coordenadas geográficas UTM ( universal transversa mercator). Gracias a la recopilación de estos datos se puede evaluar el potencial eólico de la zona elegida. Con esta lista de datos podremos decidir si es un buen lugar o no, que tipo de aerogenerador implantaremos e incluso cuales serán las horas medias de mayor producción. Partes de una estación meteorológica: 1. Anemómetro: Mide velocidad del viento ( láser, de veleta, de cazoleta, de filamento caliente) 2. Veleta: Mediante un encoder establece la dirección del viento en cada momento 3. Piranómetro: Mide la radiación solar incidente 4. Barómetro: Mide presión 5. Termómetro: Mide temperatura 6. Pluviómetro: Mide cantidad de lluvia 7. Baliza luminosa: Indica altura máxima de la torre meteorológica 8. Registradores de datos (DATA LOGGER): Recaban todos los datos obtenidos por los dispositivos de forma diezminutal ( cada 10 minutos se miden los valores mencionados, se hará una media ponderada y se guardará solo ese valor medio, así continuamente de forma cíclica) Una vez obtenidos los valores se procederá al cálculo de cuanta energía eólica se puede extraer de ese viento y se verá si es rentable o no. 11 5- PARQUES EÓLICOS. 5.1- SISTEMAS AISLADOS. • Es común en viviendas rurales sin conexión a red. • Puede contar con un pequeño generador y un grupo de baterías sumados a un regulador que controla la carga y descarga de las baterías. • Además también puede ser útil para bombeo de agua utilizando el generador como fuente de electricidad o directamente utilizándolo para bombear el agua. Si es el segundo caso, la turbina eólica debe de tener un mayor par para así ser eficiente en el proceso. • Con respecto a los generadores de electricidad, la fluctuación del viento no permite obtener una producción constante y por lo tanto es frecuente utilizar los aerogeneradores con otra forma de generación de energía (Sistema híbrido) 5.2- SISTEMAS CONECTADOS A RED ➢ Pequeños sistemas: Un generador eólico que suministra energía cuando puede sustraerla del viento y mientras eso no ocurra obtiene la energía de la red. ➢ Grade eólica terrestre: Utiliza la misma tecnología que los sistemas de menor tamaño pero con una potencia de generación mucho mayor. Un parque eólico consta de una agrupación de aerogeneradores conectados entre ellos los cuales se conectan a la red y entregan a ella la energía generada para sacar beneficio económico. 12 Una gran diferencia con los sistemas de pequeña potencia es la eliminación de baterías en su montaje. Por otro lado, se debe saber que la calidad de a energía producida será directamente proporcional a la estabilidad del viento incidente en los aerogeneradores ya que si se producen variaciones en el flujo del mismo se producirán alteraciones de tensión y frecuencia en la energía generada. Esto se ha rectificado haciendo que a velocidades e irregularidades del viendo, el generador produzca una electricidad constante. ➢ Grande eólica marina: La calidad del viento es mayor a causa de que hay menos perturbaciones. Por lo tanto, menor turbulencia y menor variación de la velocidad. La velocidad media en relación con la altura permite poner el buje a una altura menor. Principal inconveniente es un coste elevado de transporte y construcción compleja. Existen 4 principales ventajas: • Elevado potencial eólico • Menor impacto medioambiental • Ubicación próxima al consumo ya que los sitios de costa son muy demandantes energéticamente. • Sin límite de transporte. 5.3- COMPOSICIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE UN PARQUE EÓLICO 13 5.3.1- Infraestructura civil: 1. Accesos, carreteras, viales 2. Edificios 3. Zanjas de cableados 4. Cimientos 5. Edificación y obras de la subestación eléctrica 6. Línea de AT 5.3.2- Infraestructura eléctrica: 1. Infraestructura de generación: Componentes generadores, mecánicos, cuadros eléctricos, equipos de medición, circuitos hidráulicos, equipos de seguridad, cableado ( todos los elementos integrados en la góndola ). 2. Infraestructura de potencia de MT: Centros de transformación con los trasfos, disyuntores, cuadros de baja tensión, protecciones (esto es de cada aerogenerador). Luego los CT de MT conectan los conductores de cada aerogenerador a los centros de seccionamiento. Estos conducen la evacuación de la energía hasta la subestación de MT/AT. 3. Infraestructura de evacuación de energía: Subestación de MT/AT y la línea de AT que ya dirige la electricidad hacia la red global. 4. Infraestructura de control: Sistema automático formado por la red de control integrado con un software de control realiza todos las funciones de control de parámetros. 5.3.3- Funcionamiento de un parque eólico: Los aerogeneradores constan de una turbina hecha por 3 palas ( lo más común) y un buje que las une. Esta turbina unida a un eje horizontal transmite el movimiento rotativo mecánico a una multiplicadora y finalmente a un generador eléctrico. La potencia de estos va desde unos cientos de kilovatios a 2 o 3 megavatios. El diámetro de la turbina es esencial ya que a mayor diámetro, mayor área barrida por las palas y por ende, mayor energía sustraída del viento. Por otro lado, la energía producida también va estrechamente relacionada con el potencial eólico del emplazamiento seleccionado. (P = V3) Además de la disposición de los generadores entre ellos (efecto estela). 14 5.3.4- Emplazamiento e impacto ambiental La zona y área fijada son seleccionadas por estudios preliminares de viabilidad y rentabilidad. • Datos meteorológicos: Se hace estudio de adquisición de datos meteorológicos teniendo en cuenta también los recursos accesibles comercialmente en esa área. La correcta elección determinará la rentabilidad del proyecto a largo plazo. Esto vendrá determinado por el potencial eólico del emplazamiento ya que, se obtendrá una mayor o menor producción anual. • Criterios básicos de selección: 1. Elevada velocidad media (zonas de altas velocidades) situándolo en terrenos planos o muy altos son obstáculos que desvíen el flujo de aire. 2. Aceptables variaciones diurnas y estacionales. Aceptables niveles de turbulencia. Probabilidad de superarse rachas extremas. 3. Minimizar los efectos medioambientales (impacto visual, sonoro) y evitar riesgos biológicos. 4. Minimizar costes de trazado de línea y de carretera • Muestreo de lugares favorables: Evaluación inicial del potencial eólico y posteriormente estudio específico del lugar elegido. Además, considerar posibles efectos medioambientales y de seguridad así como realizar estudio de viabilidad económica. Una vez elegido el lugar, se requiere de un estudio técnico de: - Potencial eólico - Superficie disponible, perfil del terreno, acceso - Características de la red eléctrica en el nodo de conexión El potencial eólico determinará el coste por kv hora en función de la velocidad diaria del viento y el número de horas anuales funcionando en potencia nominal El estudio detallado consiste en realizar una prospección eólica de velocidades, densidades, frecuencias y direcciones. Este se realizará mediante estaciones meteorológicas. Con los datos obtenidos se calculará el potencial eólico bruto teórico existente. 15 • Metodología a seguir par el cálculo del potencial eólico: Considerar valor medio y dirección de las velocidades predominantes del terreno. Para ello, se analizan datos meteorológicos tomados sobre la distribución de los vientos en función de su velocidad para elaborar un mapa eólico del terreno, la distribución de velocidades y el perfil de velocidades. Mapas eólicos: Se suelen representar mediante líneas (isoviento) o mediante (isodensidad de potencia). Para evaluar recursos y crear los mapas de potencial energético, se requiere calcular la densidad media anual de la potencia eólica esto se puede realizar mediante la Curva de Weibull. La curva de Weibull es una herramienta poderosa para analizar el potencial eólico de un sitio, ya que permite modelar la distribución de las velocidades del viento de manera precisa. Pasos para aplicar la curva de Weibull en el estudio del potencial eólico: 1. Recopilación de datos del viento: • Se registran las velocidades del viento a intervalos regulares (por ejemplo, cada 10 minutos) durante un período prolongado, generalmente un año. 2. Ajuste de la distribución de Weibull: • Utilizando los datos recopilados, se ajusta una distribución de Weibull para modelar la variabilidad de las velocidades del viento. Esto implica determinar los parámetros de forma y escala que mejor describen los datos. 3. Cálculo de la densidad de potencia: • La densidad de potencia eólica ((P)) se calcula usando la fórmula: P=1/2ρv3 donde (\rho) es la densidad del aire y (v) es la velocidad del viento. 4. Integración con la distribución de Weibull: • La densidad media de potencia se obtiene integrando la densidad de potencia sobre la distribución de Weibull: Pmedia=∫ (0,∞)1/2ρv3 f(v) dv donde (f(v)) es la función de densidad de probabilidad de Weibull. 16 Como resultado, la función de distribución de velocidades proporciona el n.º de horas al año que la velocidad del viento es superior a un valor determinado. • Estudio del impacto ambiental En la construcción de un parque eólico se debe de tener en cuenta el impacto medioambiental que puede producir su creación, su explotación y su abandono. (Este impacto medioambiental será mayor a medida que el parque crezca. ➢ El impacto visual sobre los paisajes donde se instala es la mayor intrusión medioambiental que puede producir, seguido del impacto sonoro que produce cuando está en pleno rendimiento. ➢ Los efectos ambientales y de biodiversidad que se producen cuando aves chocan contra las palas es otro motivo preocupante de este tipo de instalación. Esto en lo general no provoca eliminaciones de especies por completo ya que son pocas veces en las que se produce una situación de este tipo. Si que es verdad que suelen tener cierta importancia cuando se producen en aves que se desplazan para la nidificación de sus huevos. ➢ Otro impacto ambiental muy poco conocido es la interferencia electromagnética que producen los elementos metálicos de los aerogeneradores en las señales de telecomunicación y radioeléctricas. • Incidencias ambientales ➢ En fase de construcción : 1. Deforestación 2. Modificación de orografía del terreno 3. Modificación del régimen de escorrentía ( forma en la que se escurre el agua en una tromba de agua), provocar desprendimientos de tierra 4. Contaminación acústica (voladuras) 5. Levantamiento de polvo 6. Vertidos de aceite de las máquinas utilizadas (incidencia medioambiental) – van con una excavadora quitan la zona donde a caído aceite la tratan y te la devuelven 7. Instalación de equipos con emisión de ruido y producción de residuos tóxicos. 17 ➢ Fase de operación: 1. Impacto visual o modificación del paisaje 2. Variación de la ruta de emigración de las aves incluso llegando a matarlas 3. Impacto sonoro aunque casi siempre el viento se superpone al sonido del generador 4. Contaminación de la atmósfera (Camiones, coches, máquinas a motor diésel) 5. Mucho residuo por el uso normal del parque ( si se produce cualquier contaminación de residuos tóxicos o peligrosos hay que llamar a la empresa correspondiente para que se haga cargo de ellos) 6. Riesgo de accidentes laborales 7. Riesgo de electrocutaciones. 8. Producción de residuos. ➢ En fase de abandono: Los mástiles y elemento metálicos son fáciles de reciclar. Las palas que son fibras de vidrio y resina es muy complicada de reciclar. Hay sitios donde se reutilizan pero hay sitios donde se está buscando el destilarlas y si que se puede. Para poder producir combustibles pero no sale rentable. Las palas se están pintando con pinturas especiales para la mejor reflexión de los rayos solares. Esto produce una complicación en el post-uso de las mismas ( está pendiente ) Si el mástil es de hormigón igual que los cimientos no se pueden reciclar pero tampoco es especialmente contaminante De normal la localización de un parque eólico se reutiliza para poner otro. Si se abandona un parque es porque en esa localización se esperaba un mejor rendimiento. De normal, se cambian unos generadores antiguos por otros más modernos. TIENE MUCHA REPERCUSIÓN EN EL ÁMBITO MEDIOAMBIENTAL • Medidas correctoras. ➢ En fase de construcción 1. Frente al movimiento de maquinaria y transporte: Establecimiento de rutas, utilización de máquinas y equipos poco contaminantes, limitación de utilización de máquinas y movimiento de material en horarios determinados, aprovechamiento de los materiales de la excavación. 18 2. Frente a ruidos y alzamiento de partículas: Aplicación de límites de decibelios, identificación de zonas habitadas para no molestar a esa gente. 3. Frente a la gestión de los residuos: Recogida y reciclaje de todos los residuos contaminantes (material excedente, aceites usados, máquinas obsoletas, etc.) 4. Protección del medio natural: Estudio principal de la avifauna de la zona teniendo en cuenta un periodo de tiempo adecuado. Creación de pasillos entre generadores que deje el aso de las aves que pudieran pasar por ese lugar. Transporte de la fauna vegetal del lugar a otro sitio. 5. Protección del patrimonio: No se instalará ningún parque eólico en zonas pecuarias. ➢ En fase de explotación: 1. Protección de la avifauna 2. Integración paisajística de las instalaciones ( pro y contra) 3. Seguridad y salud de los empleados. 5.3.5- Funcionamiento global y configuración de la instalación • Sistema generador. Compuesto por dos tipos de mecanismos, el mecánico y el eléctrico. La energía cinética del viento se transforma en un movimiento giratorio en forma de energía mecánica dentro de la turbina eólica hasta la caja multiplicadora la cual eleva la velocidad rotacional a la adecuada a la entrada del generador. La generación de energía eléctrica se hace a baja ternsión (+- 690V). Esta electricidad después de pasar el sistema individual de control del aerogenerador se dirige al sistema colector. En la primera parte del mismo, se aumenta la tensión a 20kV (MT) y se envía hasta el sistema colector de MT. • Sistema colector. Compuesto por la infraestructura de MT. El recoge la energía de cada aerogenerador y la transporta a los centros de seccionamiento. Y finalmente inyectan la energía producida en la red. La conexión de cada generador y la red de MT puede ser individual o en bucle hasta los centros de seccionamiento. La aportación de celdas de maniobra y protección en cada aeroG, produce un buen comportamiento ante fallas pudiendo así aislar la falla. Los CS agrupan un n.º de generadores con el fin de optimizar el transporte de energía. 19 • Sistemas de interconexión. ➢ Cables de potencia: Cableado entre el sistema del centro de trasfo del generador y los centros de seccionamiento y subestación, forman la red de MT. Dotada de los conductores elegidos por los criterios siguientes. Intensidad máxima admisible Intensidad máx de CC admisible Caída de tensión Perdida por potencia Además, serán de tipo unipolar, RHVFAZ1 de aluminio y de sección adecuada a la intensidad. ➢ Cables de comunicación (Fibra óptica) Comunicación del sistema de control y sistema de control eólico con torre meteorológica. La fibra óptica consta de un núcleo conductor de la luz envuelto por un recubrimiento protector. La fibra óptica permite transmitir grandes cantidades de datos a alta velocidad. 1. Ofrece una conexión muy estable y fiable para la supervisión continua. 2. No es susceptible a interferencias electromagnéticas. 3. Puede transmitir datos a largas distancias sin pérdida significativa de señal. 4. Es más segura contra las escuchas y las interferencias. 20 Su velocidad y la utilización de los multiplexores y los buses de datos hacen que sean mucho más eficiente el traslado de datos a tiempo real. • Sistemas de la red de tierras Protegen a las personas y equipos eléctricos contra contactos a tierra de los elementos en tensión de cualquier instalación y así garantizar un buen funcionamiento de las protecciones. Se aconseja hacer un sistema de tierras único formado por: ➢ Red de tierras del generador ➢ R.T del sistema colector ➢ R.T de la subestación ➢ R.T de red de AT Cabe recalcar que cada diseño de puesta a tierra será diferente para cada caso ya que este dependerá de la conductividad del terreno. En terrenos menos conductivos, se debe de hacer una PT más profunda que en otros que tienen más conductividad. Además, utilizaremos la ferraya como puesta a tierra ya que tenemos muchos m² de esta en contacto con el hormigón. Aún así, conectaremos un cable de cobre junto a la misma mediante uniones aluminotérmicas para asegurarnos que las derivaciones se realicen correctamente. Finalmente, se conectarán todas las puestas a tierra de los generadores entre si por medio de zanjas y utilizando cable desnudo enterrado. Electricidad estática Energía que se crea en elementos no conductores. En gran medida pueden hacer efecto de condensador. Si no está bien puesto a tierra no evacua ese excedente y puede ser peligroso. 21 5.3.6- Sistemas de seguridad La ley de prevención de riesgos laborables dice que todas las empresas que lleven a cabo un actividad preventiva deben de seguir la normativa vigente. La evaluación de los riesgos es el procedimiento de minimizar los posibles problemas hacia la seguridad de los trabajadores que sea expresamente imposible de eliminar En un parque eólico, después de la puesta en marcha se aplicará la normativa de seguridad para instalaciones en funcionamiento sobre todo para las instalaciones de cierto peligro. 6- ESPECIFICACIONES Y DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS Y ELEMENTOS CONSTITUYENTES DE UNA INSTALACIÓN DE ENERGÍA EÓLICA 6.1- Por su potencia. • Micro aerogeneradores: Aquellos con potencia inferior a 1 kW. Presentan un del rotor menor de 1 m. Sus aplicaciones representativas son: embarcaciones, sistemas de comunicación, refugios de montaña, iluminación. • Mini aerogeneradores: Aquellos con potencia comprendida entre 1 y 10 KW. Presentan un radio de rotor comprendido entre 1 y 3 m. Sus aplicaciones más representativas son: granjas, viviendas aisladas, sistemas mixtos eólico-fotovoltaicos, • Aerogeneradores de pequeña potencia: Aquellos con potencia comprendida entre 10 y 100k. Radio de rotor de entre 3 y 9 metros • Aerogeneradores de media potencia: Con potencia comprendida entre 100 y 1.000 kW. Presentan un radio de rotor comprendido entre 9 y 27 m. Sus aplicaciones representativas son parques eólicos en tierra y en el mar. • Aerogeneradores de gran potencia: Aquellos con potencia comprendida entre 1000 y 20.000 kW. Presentan diámetros de rotor comprendido entre 2 22 6.2- Por posición del rotor respecto al viento. • Sotavento: La góndola se encuentra antes que las palas. Este tiene como problema que la propia góndola produce una turbulencia ya que el viento pasa antes por encima de ella que por las palas. Además, las palas pasan por detrás de la torre la cual también interfiere en la captación homogénea del viento • Barlovento: - El rotor se dispone enfrentado al viento y antes de la torre - Evitan efecto sombra de la torre. - Necesitan mecanismo de orientación. - Necesitan rotor más rígido para evitar colisión de las palas con la torre. 6.3- Por posición de eje de trabajo • EJE HORIZONTAL 1. Mejor rendimiento (coeficiente de potencia). 2. Velocidad de rotación más elevada. 3. Superficie de pala menor para mayor superficie barrida. 4. No necesitan sistemas de sujeción externos. 5. Aprovechan eficientemente el régimen vertical del viento. • EJE VERTICAL 1. Capta el viento desde todas las direcciones 2. El mantenimiento se realiza en el suelo 3. Menos eficiente y con poco rendimiento. 23 6.4- Por cantidad de palas en el rotor • Multipala: ➢ Aerogeneradores se caracterizan por giran a bajas velocidades y ofrecer un gran par. ➢ Se emplean en aplicaciones que requieren mucho par como por ejemplo la extracción de agua a través de aerobombas. ➢ Presentan una curva característica de picos de Cp muy bajos, • Bipala: ➢ Tienen la ventaja de ahorrar el coste de una pala y, por supuesto, su peso. ➢ Presentan un giro menos estable, porque necesitan una mayor velocidad de giro para producir la misma energíade salida. ➢ Apenas existen aerogeneradores de este tipo en explotaciones comerciales. • Monopala: ➢ Está formada por una única pala con un contrapeso en el otro extremo que compense el giro. ➢ Necesita tener una mayor velocidad de giro. Tiene problemas de ruido y de intrusión visual. ➢ Presenta problema de fatiga y estabilidad (poco utilizados) • Tripala: ➢ No presentan problemas dinámicos . El momento de inercia es constante para todos los ángulos azimutales circunferenciales. ➢ Baja velocidad de punta de pala, evitando problemas de emisión de ruido. ➢ Alcanzan unos valores mayores de Cp en su curva característica 24 7- AEROGENERADORES Y SUS COMPONENTES. 7.1- Configuración mecánica 7.1.1- TORRE ➢ Parámetro del diseño más importante es la altura (+potencia = +altura) ➢ Debe presentar rigidez suficiente para soportar esfuerzos radiales y axiales junto con esfuerzos torsores. Por esto se hacen con formas troncotubulares. ➢ Criterios de accesibilidad: - de 15 metros de altura, escaleras exteriores; superior a 30m, escalera interior; mayor a 60m, a veces un ascensor de accesibilidad. ➢ Las torres de grandes alturas están dotadas de de sistemas contra frecuencias de resonancia. ➢ Función puramente estructural. 25 Torres tubulares acero: ➢ La forma externa suele ser tronco-cónica o una aproximación de diseño económico similar a ésta. ➢ Los componentes de la torre se protegen de la corrosión mediante galvanizado en caliente, y se van realizando amarres entre ellos de forma frecuente. ➢ Costes conocidos y ajustados hasta 80 metros. ➢ Es proporcionada por los fabricantes de las turbinas. Experiencia en diseño ➢ Se suelen hacer en 2 o tres tramos troncocónicos, cada uno formado por virolas soldadas. El espesor de chapa es decreciente con la altura. ➢ Limitación de tamaño para el transporte, por el diámetro de la base. ➢ Fabricadas en secciones de 20-30 metros con bridas en cada uno de los extremos, y son unidas con pernos "in situ” Torres celosía: ➢ La más empleada al principio. ➢ Tiene bajo coste, pero no permite un acceso fácil y seguro a la góndola ➢ Necesita una base mucha más ancha que las tubulares ya que reparte peor los esfuerzos ➢ Todos los elementos externos a la nacelle se encuentran al aire Torres de hormigón: ➢ Opción para máquinas de gran potencia que necesitan torres altas. ➢ Mejora de costes respecto a la tubular a partir de unos 100 m. ➢ Posibilidad de montaje in-situ Facilidad de transporte, por dovelas. El transporte de las dovelas se realiza rápida y eficazmente sin necesidad de pedir permisos especiales, el premontaje se ejecuta directamente a pie de torre y el montaje final se realiza en un solo día. Quedando a disposición del cliente la utilización de la grúa principal para el montaje de la nacelle a continuación. ➢ El desarrollo de hormigones de altas prestaciones, el uso del postensado como sistema de conexión entre piezas prefabricadas, la posibilidad de transportar y manipular grandes masas, la capacidad para realizar ensayos precisos a gran escala y el desarrollo de modelos rigurosos de cálculo, han permitido desarrollar nuevos tipos de estructuras prefabricadas de hormigón pretensado con grandes prestaciones estructurales y estéticas. 26 7.1.2- CIMENTACIÓN • Las dimensiones de la armadura, zapata de hormigón, etc. dependen del tipo de turbina y características geológicas del terreno. • Para cada emplazamiento hay que revisar las características del terreno junto a los datos eólicos. • Se embebe una brida en la zapata, y una serie de espárragos unen la brida de base de torre a esta zapata. Tal como se puede observar en las siguientes fotos. Además se realizara la puesta tierra. • La ultima virola de la torre va embebida en la cimentación dispone de unos orificios para pasar los conductores de MT y control. • Descripción de la góndola. Dentro de ella se encuentran todas las tripas del erogenerador (rotor principal, generador, multiplicadora). 7.1.3- CARCASA • Cubierta que protege los componentes del interior de la góndola frente a los agentes externos como el tiempo o inclemencias de todo tipo. • Esta suele estar hecha de fibra de vidrio y resinas orgánicas (al igual que las palas). • En ella se establecen y crean los puntos de ventilación, 2 clarabollas y 3 trampillas de acceso. • Una trampilla para el acceso a la misma desde la torre, otra para poder extraer la grúa montacargas y la tercera para poder entrar dentro del buje si hiciese falta. 7.1.4- BASTIDOR • Debe de ser diseñado con criterios de sencillez mecánica y robustez • Debe de soportar el peso de todos los elementos de la góndola y debe de transmitir todos los esfuerzos que en ella recaen ( par de giro, esfuerzos axiales y radiales). • Estos esfuerzos se derivan a la torre por medio del cojinete del sistema YAW por ende, esa parte debe de ser mecánicamente casi perfecta. 27 • Tiene 2 partes ➢ Batidor delantero: Hecho de una sola pieza de fundición. En este se aplican las mayores fuerzas porque en el se soportan el eje lento, multiplicadora, acoplamiento elástico, grupos hidráulicos, corona de giro, motorreductoras. ➢ Bastidor trasero: Pieza soldada entre si y atornillada a la parte delantera. En esta se encuentra el generador eléctrico, los armarios de control y si lo tiene arriba, el transformador. 7.1.5- EJE PRINCIPAL • Transfiere la energía del viento captada por el rotor en forma de energía cinética angular hasta la multiplicadora • Está conectado al buje mediante una brida atornillada y sujeta al bastidor por uno o dos ejes de fundición ya implementados en el bastidor • Sen encarga de transferir al bastidor todos los esfuerzos menos el par torsor • Hecho con acero forjado • Tiene un orificio central longitudinal por el que se pasan hasta el buje los tubos hidráulicos del sistema Pitch. • Cerca del rotor tiene una terminación en forma de disco que permite su unión. 7.1.6- ROTOR • Se compone de 3 palas conectadas al mismo por medio de un buje redondeado el cual en la conexión con ellas aplica un ángulo de conicidad de 2º para que se alejar el centro de rotación fuera del rango de la torre. Las palas se unen al buje por medio de unas bridas atornilladas. • Su función es captar energía cinética del viento y transferirla en forma de energía cinética de rotación por el eje principal. 28 7.1.7- PALAS. • Captan la energía cinética del viento se denominan palas. • En la actualidad se fabrican con fibra de vidrio y resinas orgánicas estando formadas por un larguero de alta resistencia. • 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. • Su función es estructural y aerodinámica • La palas disponen de un sistema de protección contra rayos ( un cable de cobre trenzado que va por todo el largo de la pala hasta la base para así poner a tierra la sobre intensidad. • Además, tienen sistemas de drenaje de agua ya que si esta se acumulase y estuviese cuando impactase un rayo, su evaporación haría estallar la pala entera. • Todas las palas del aerogenerador se unen de forma solidaria a un soporte denominado buje o cubo. • De paso fijo: No admite rotación de la pala sobre su eje, realizándose el control de potencia mediante un diseño de pérdida aerodinámica de las palas, incluyendo un freno aerodinámico en el extremo de las mismas • De paso variable: Admite la rotación controlada de la pala sobre su eje a través de unos rodamientos y un grupo hidráulico. Precisa de un equipo de control. 7.1.8- RODAMIENTOS DE LA PALA • Interfaz entre la pala y el buje y permiten el movimiento de cambio de paso (pitch). • El montaje de las palas con el rodamiento es mediante tornillerría, lo que facilita su inspección y reparación. 7.1.9- BUJE • Estructura metálica hueca que se construye con base en una fundición de acero • Permite un acoplamiento firme de las palas a través de pernos roscados • Se incluyen grupos hidráulicos encargados de accionar los frenos aerodinámicos de punta de pala (palas de paso fijo) o los mecanismos de giro de palas(paso variable) • Se acopla de forma fija con el eje principal 29 7.1.10- CONO – NARIZ • La nariz del rotor es una cubierta frontal en forma de cono. Sirve para eliminar turbulencia indeseable en el centro frontal del rotor y mejorar el aspecto estético. 7.1.11- SISTEMA DEL PITCH • Permite variar el ángulo de paso de cada pala • Su objetivo es maximizar la potencia generada con vientos flojos, regular la potencia con vientos fuertes y parar el sistema en situaciones de riesgo • Cada pala tiene un acumulador de nitrógeno alojado en el buje (nitrogas) el cual siempre está contraido a causa de la presión que hacen las palas al moverse hacia un ángulo que no sea 90. Cuando todo el sistema falla dejan de hacer presión y el nitrogás sale, presionando el eje de las palas hasta su posición en bandera • Cada vez más se utilizan sistemas hidráulicos para el pitch. Por su gran capacidad de mover fuerzas grandes y por su rapidez de movimiento • Cada pala tiene su circuito independiente, pero todas van al unísono 7.1.12- MULTIPLICADORA • Función de transferir la potencia del eje lento al rápido con menor fuerza de par y más velocidad angular. • El sistema está compuesto por una etapa planetaria y un tren helicoidal. • El factor de multiplicación depende de cada caso (rango de velocidades angulares) pero de normal es 1/30 o 1/100. • La multiplicadora solo quiere transmitir al eje rápido el par 30 torsor. Por lo tanto, el resto de esfuerzos son absorbidos por ella ( amortiguadores y brazos de reacción) • Necesita de un sistema de lubricación unido a un sistema de filtrado externo. Estos deben tener una capacidad de extraer calor casi perfecto. La lubricación externa se hace mediante salpicadura. • La multiplicadora se conecta al chasis de la góndola mediante sujeciones elásticas. Estas permiten que las vibraciones no se transmitan al resto de componentes y además permiten una buena absorción de los esfuerzos de las dilataciones diferenciales. • Este circuito tiene como función ➢ Control y limitación de temperatura interna de la multiplicadora ➢ Filtración del aceite ➢ Lubricación forzada en los rodamientos y engranajes • Formado por ➢ Bomba mecánica unida a la multiplicadora ➢ Bloque de válvulas ➢ Intercambiador de aceite-aire AeroG sin multiplicadora En los aerogeneradores con generador multipolo no se disponen multiplicadoras. 31 7.1.13- SISTEMA YAW • El sistema de orientación tiene el objetivo de 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. • Para permitir el giro de la nacelle respecto a la torre, 4 motorreductoras (sistema redundante) eléctricas giran la misma cuando detectan desde el anemómetro y la veleta un cambio significativo de la dirección del viento. • Estas giran gracias a un motor eléctrico y un sistema de engranajes reductores que están conectados a los piñones de la corona dentada de la torre haciendo por ende que la góndola gire. • El arranque y parada de estas motorreductoras se hace mediante rampas de aceleración y desaceleración produciendo un movimiento más gradual. • Las motorreductoras constan de un freno eléctrico para estar en estado de reposo pero con esto no basta, hay que poner un freno activo a través de pinzas de freno hidráulicas. 32 7.1.14- SISTEMAS HIDRÁULICOS • Proporciona presión a los actuadores del Pitch, frenos mecánicos y el sistema de frenado del Yaw. • Asegura presión y caudal de aceite necesario en ausencia de corriente para activar los frenos y poner en bandera las palas. • Tiene una mayor rapidez de actuación en estado de falla ya que no depende de elementos eléctricos y por ende aumenta la fiabilidad del generador. 7.1.15- SISTEMAS DE FRENADO Los medios que se utilizan para efectuar el paro forzado son: • Frenos de disco • Control de ángulo de las palas • Dispositivos de punta de pala (freno aerodinámico) • Desorientación de la góndola respecto al viento La mayoría de los aerogeneradores cuenta con dos (o más) de estos medios, los cuales pueden operar independiente o coordinada. Dependiendo de manera del modelo específico del aerogenerador se asigna uno de ellos como el medio principal de frenado. En los modelos actuales el principal es siempre el relacionado con el ángulo de pitch. ➢ Por control del ángulo de paso de las palas Freno principal: Se utiliza el sistema de regulación de velocidad por control del ángulo de paso de las palas. El sistema colocar la pala en una posición casi paralela con la dirección del viento (posición de bandera 90º). Esto representa una solución adecuada que evita fuerzas mecánicos durante el evento. ➢ Por control del ángulo de paso de las palas El accionamiento del sistema de regulación por control del ángulo de paso de las palas puede ser: 1. Motores eléctricos: para manejar el ángulo de paso de las palas, las condiciones por defecto ante la desconexión o fallo de la línea eléctrica colocan automáticamente a las palas en “posición de bandera”. 33 2. Grupos hidráulicos: el problema de pérdida de carga se resuelven mediante la incorporación de acumuladores hidráulicos. ➢ Por accionamiento de freno de disco. Sistema de frenado secundario mecánico incorpora un freno de disco hidráulico fijado al eje de alta velocidad (a la salida del multiplicador) y compuesto de: 1. Disco de freno. 2. Una pinza hidráulica (mordaza de frenado), con pastillas de freno sin asbestos. El sistema de frenado tiene las siguientes características: Se aplica después que la velocidad de rotación del rotor se redujo considerablemente, y por consecuencia, el par motriz es mucho menor. 7.1.15- GENERADORES ELÉCTRICOS • Generadores síncronos: En el estátor tiene un bobinado individual para cada fase con más o menos pares de polos según la frecuencia de giro que queramos. A mayor número de polos menos velocidad de giro hará falta y al contrario. Estos polos están desfasados 120º cada uno entre ellos para conseguir de forma directa del desfase común en trifásica. El rotor es la parte inductora del campo magnético. Y este puede ser de imanes permanentes o electroimanes. En el segundo caso, la excitación de los mismos se hace con CC mediante una conexión de anillos rozantes y escobillas. La ventaja de este tipo de rotor es que no se necesita de una modificación de la corriente con respecto a la frecuencia o la forma pero como inconveniente, se debe de tener una velocidad de rotación siempre proporcional a la frecuencia. Los generadores síncrons que utilizamos para los aerogeneradores de normal son ➢ WRSG (Generador síncrono con rotor devanado) ➢ MPSG (Generador síncrono multipolo de imanes permanentes. • Generadores asíncronos Los generadores asíncronos, también conocidos como generadores de inducción, tienen la ventaja de poder operar a una frecuencia más alta que la de la red eléctrica, lo que les permite trabajar en una amplia gama de velocidades sin necesidad de mantener una frecuencia constante. 34 Su funcionamiento se basa en que Cuando el generador se conecta a la red, las bobinas del estator crean un campo magnético que gira a la velocidad síncrona de la red. Este campo magnético induce corrientes en el rotor de jaula de ardilla, que está hecho comúnmente de aluminio con estrías de cobre. Debido a que el rotor no puede inducir suficiente corriente para igualar la velocidad del campo magnético, se produce una diferencia de velocidad llamada deslizamiento. Si el campo magnético gira más rápido que el rotor, el deslizamiento es positivo y el generador actúa como motor. Si el deslizamiento es mayor que 1, el rotor se opone al flujo del campo magnético y actúa como freno. Si una fuerza externa acelera el rotor a una velocidad mayor que la del campo magnético, el deslizamiento se vuelve negativo y el generador comienza a producir electricidad. El motor con devanado en el estator tiene un rotor con bobinas que permiten un mejor control de la corriente inducida y, por lo tanto, una mayor eficiencia en la generación de electricidad. En un aerogenerador, cuando no hay una suficiente fuerza en el rotor para que haga la función de generador, no se establece la conexión a la red y por ende se deja en modo isla. Mediante el juego del PITCH se intenta maximizar la obtención de E. Eólica hasta llegar a la velocidad de sincronismo en la cual se empieza el proceso de conexión de una forma lenta y gradual para hacer que las 2 reden no hagan un cambio brusco de estado. Una vez se ha superado un poco la velocidad de sincronismo ya se puede entender como que está conectado y generado electricidad. ➢ SCIG (Generador asíncrono rotor jaula de ardilla) ➢ WRIG (Generador asíncrono rotor devanado) ➢ DFIG (Generador asíncrono doblemente alimentado) 35 7.1.15.1- Diseño de aerogeneradores y conexión a red La configuración eléctrica de conexión del generador a la red pueden ser directas o indirectas. • Directa: Generador se conecta directamente a la red (raro de ver) • Indirecta: Generador se conecta a la red mediante una serie de dispositivos que ajustan la corriente para igualarla a la de la red. Para poder controlar la potencia de giro del rotor en un aerogenerador, se acude a 2 técnicas • Control de potencia por pérdida aerodinámica: La palas tienen tal forma aerodinámica que a una velocidad muy baja, no son capaces de producir giro y que a una velocidad tan alta se quedan estancadas en la potencia que pueden generar. • Control de la potencia por variación del Pitch: Se va regulando el ángulo de paso de las palas para maximizar la potencia en cada momento y adecuarla siempre a la que se necesita. • Control de la potencia por pérdida aerodinámica activa: Esto se consigue con un mecanismo en la punta de la pala que a cierta velocidad se pone en contraposición al flujo de aire haciendo que se produzca una pérdida aerodinámica que auto-frene las palas Dependiendo como se establece la conexión entre el generador y la red podemos encontrar varios tipos de configuraciones. • Generadores a velocidad constante: ➢ Generador asíncrono ➢ Rotor y generador conectado mediante caja multiplicadora (transforma a un rango min y max de revoluciones) ➢ La velocidad de giro puede variar un 1% en función del par que se imponen en el eje 36 • Generadores a velocidades casi constantes: ➢ Variación de velocidad inferior al 10% ➢ Generadores asíncronos ➢ Con resistencias en el rotor que permiten mayores rangos de deslizamiento. • Generadores de velocidad variable: ➢ Generadores asíncronos doblemente alimentados y generadores síncronos conectados a red mediante un enlace de continua. ➢ Generadores síncronos multipolares ➢ Se utiliza un convertidor de frecuencia que regula la F generada en cada momento a la establecida por la red. 7.1.15.2- Características generales a tener en cuenta • Funcionamiento óptimo para cualquier velocidad de viento maximizando producción y minimizando cargas transferidas y vibraciones • Control de la potencia activa y reactiva generada intentando controlar la reactiva por medio de baterías de condensadores ( desfase capacitivo que invierte el desfase inductivo) • Suave conexión y desconexión de la red • Protección contra sobrecargas y cortocircuitos • Monitoreo de temperatura mediante sensores Potencia activa y Reactiva Sabiendo que cuando se produce una corriente por medio de un generador inductivo, se produce un desfase de la intensidad sobre la tensión. Esto produce un porcentaje de potencia reactiva que parasita la red y que no tiene una función útil. Solo produce pérdidas por efecto joul lo que produce pérdidas por calentamiento. Para compensar esto, se debe nivelar produciendo una corriente capacitiva, que adelante la tensión a la intensidad. De esta forma las dos ondas se quedarán casi en fase lo que reducirá a casi 0 la P reactiva. 37 7.1.16- TRANSFORMADORES. En los generadores se genera a 690V de forma general. Lo idóneo sería generar ya con altas tensiones pero el aislamiento que deberíamos de poner en el generador para ello sería demasiado costoso y aparatoso. La función del trasfo es, manteniendo la potencia igual, aunque hay pérdidas; subir la tensión y bajar la intensidad para así disminuir las pérdidas en el transporte por efecto Joul. El funcionamiento interno consiste en dos devanados que encapsulan un núcleo ferromagnético hecho por láminas para eliminar pérdidas causadas por corrientes parásitas. Estas espiras tendrán diferentes secciones y Nºs de bobinados dependiendo del tipo de corriente que pasará por dentro (Si es BT, pocas espiras y mucha sección, si es AT, muchas espiras y poca sección). Cuando se aplica una potencia por el 1r bobinado, se produce un campo magnético inducido en el núcleo ferromagnético que se transmite por el hasta el 2º bobinado en el cual se produce una corriente inducida. ➔ Transformadores en Aerogeneradores ➢ Opción 1: • Para potencias de entrada medias • Se sitúa en la parte trasera de la góndola • De tipo trifásico, seco (resina epoxi) y encapsulado • Evita pérdidas en la parte de baja tensión al reducir el cable de la misma • Tensión de salida a 6,6KW – 34,5KW ➢ Opción 2: • Para potencias de BT altas • Se sitúa en la parte baja de la torre • De tipo trifásico, seco o de aceite (dependiendo del fabricante) • Elimina peso en la góndola. • Tensión de salida a 6,6KW – 34,5KW 38 Trasfos con aislante seco : • Más compactos • Menos peso • Más estrés mecánico en su interior ( ya que no permiten la dilatación y contracción de los bobinados) • Peores conductores caloríficos ( No tienen un flujo de refrijeración, por ende solo evacuan el calor dependiendo de la capacidad del material aislante para evacuarlo Trasfos con aceite como aislante: • Más eficientes para grandes cargas • Más capaces de extraer calor • El aceite es un gran agente comburente • Más peso • Más robustos y más voluminosos 7.1.17- CONDUCTORES La interconexión de todos los elementos eléctricos del aerogenerador se debe de realizar mediante cables específicos para cada situación y conexión. Estos cables se elegirán dependiendo de diferentes factores. • Capacidad eléctrica que pueden transportar • Temperatura a soportar • Presión a soportar • Degradación de material • Torsión a soportar • Salinidad • Acidez del terrenos Suelen ser o de cobre o de aluminio dependiendo de factores económicos, de si es para largas distancias o cortas, dependiendo del grosos, etc. 39 Algunas de las conexiones que se van a realizar dentro de un parque eólico van a ser: • Conexiones fijas dentro de la góndola y dentro de la torre • Conexiones flexibles entre góndola y torre • Conexiones exteriores mediante zanjas • Conexiones entre todos los elementos de la subestación, cuadros y aparellaje exterior. 7.1.18- EQUIPOS DE MEDIDA Los aerogeneradores está equipados con sensores que controlan y analizan todos los diferentes parámetros que se deben de tener en cuenta para el buen funcionamiento del mismo. Estos son: • Vibración – CINEMÓMETRO • Temperatura – TERMÓMETRO , SONDAS, TERMOSTATOS • Presión – BARÓMETRO • Velocidades angulares – TACÓMETRO • Posición – ENCODERS • Sonidos – SONÓMETRO. Además, disponen de transformadores y convertidores de medida y protección que miden frecuencia, intensidad, tensión y potencia generada para regular el funcionamiento de las unidades de control y potencia para la buena conexión a la red eléctrica. Toda la información se registra y analiza en tiempo real pudiendo por ende, cambiar de forma mecánica valores de los actuadores o elementos eléctrico para tener un proceso óptimo dentro del generador. El tiempo de respuesta que se tarda en realizar estos procesos es conocido como Tiempo de reacción. 40 7.1.18- EQUIPOS DE CONTROL El control dentro de un aero. Consiste en realizar las funciones de supervisión y regulación desde el momento desde que está operativo hasta que entra en estado de producción en su potencia nominal. También consiste en el proceso contrario. Desde que está en producción nominal hasta que se para de forma total. Dentro de los procesos de control encontramos: • El movimiento del PITCH : Debe de asegurar la máxima captación de energía cinética del viento para producir el giro del rotor y por ende la producción eléctrica. • La producción constante de la velocidad y el par mecánico para así suministrar a la red una potencia eléctrica estable y constante. ➔ Unidad de control y potencia. Unidad de control = PLC ( encargado de controlar toda la máquina) Unidad de potencia = CCU – converter control unit – y el equipo de potencia que controla. • Controlador de la góndola: Monitoriza el viento, cambio de ángulo de paso, orientación, control de la temperatura interior • Controlador del buje: Activa los cilindros actuadores del PITCH. • Controlador Ground: Situado en la base de la torre, dotado de una pantalla en la cual el operario puede manejar algunos sistemas generales del aero. (Encendido, apagado) ➔ Unidad de control El PL, capta señales analógicas o digitales procedentes de cada sensor del aero por medio de su tarjeta de entrada. Mediante fórmulas algorítmicas, proporciona unas respuestas que envía a los actuadores correspondientes para realizar una acción determinada, por medio de su tarjeta de salidas. Este, de forma general controla el funcionamiento del aero para garantizar siempre una seguridad y una buena generación eléctrica. 41 Funciones que puede realizar el PLC: • Orientación de la góndola respecto al viento predominante • Gestión del grupo hidráulico del sistema del Pitch, frenos y sistema yaw • Regulación de la velocidad, supervisión de velocidades angulares de los diferentes elementos mecánicos • Supervisión de vibraciones • Supervisión de la conexión y desconexión a red • Supervisión y corrección de la torsión de los cables de potencia que bajan desde la góndola. • Supervisión de Potencia reactiva generada y su posterior regulación • Control de la posición de las palas • Control de alarmas y modo de operación en caso de ellas ➔ Modos de operación ➢ Modo automático: • Modo normal • Al reiniciar la máquina, esta debe de pasar por las fases de ensayo, pausa y marcha • En la fase de pausa, las palas están en bandera • Cuando la velocidad del viento supera un humbral, la turbina pasa a fase de marcha moviendo las palas al ángulo de mayor captación de Ec del viento posible. ➢ Modo manual: • Para hacer pruebas de mantenimiento • Se pueden manejar todos los subsistemas de la máquina a tiempo real ➢ Modo emergencia: • Cuando se activa cualquier alarma a causa de una detección por sensor o por pulsación de botón de alarma. • La máquina pasa a reposo absoluto y solo se pondrá en marcha si se activa manualmente. 42 7.1.19- Equipos de corte y protección. • Forman la unidad de potencia del aero. Desde los bornes de la salida del aero. Hasta la futura inyección a la red. • El soporte físico se aloja en la parte inferior de la torre • Se compone de un convertidor de frecuencia ( control de potencia y gestión de la conexión y desconexión del aero a la red ), sección de embarrados y protecciones 7.1.20- Sistema de protección contra rayos. Por un lado, el aerogenerador en la cima de la góndola dispone de un pararrayos que está conectado a tierra de forma directa. Por otro lado, como las palas son un punto más alto que el pararrayos, disponen de una captación de sobre intensidades de forma longitudinal por toda la pala teniendo varios puntos de entrada en su largo conectados a un cable de cobre trenzado que se conecta a la góndola por dentro del buje mediante unos anillos rozantes Una vez dentro de la góndola, se dirige hacia la base de la torre donde se enclava a tierra para la buena dispersión de la sobre intensidad. 8- Planificación de obra civil – Unidad de obra. 8.1- UNIDAD DE OBRA Una unidad de obra es una parte específica de una obra de construcción que se mide y valora de manera independiente. Esta unidad puede ser una agrupación de partes de la obra que se valoran en función de una misma unidad de medida. Mediante el pliego de condiciones se especifica la forma en la cual se va a llevar a cabo la unidad de obra. Por lo tanto, en cada unidad de obra el pliego de condiciones será diferente dependiendo de la empresa que lo lleve a cabo. 43 Dentro de las unidades de obra, se relaizan unas especificaciones de proceso y de acabado. Las cuales aplican unos requisitos a seguir que se deben de cumplir siempre 8.1.1- ZANJAS DE MT • La disposición de los conductores dentro de las zanjas se realiza con relación a la necesidad de cambiar ese cable más o menos veces ➢ Conductor Puesta a Tierra ➢ Conductores de MT ➢ Cables de control • Los tramos de conductor que pasen por debajo de viales de acceso se instalarán encapsulados en cilindros o cubos de PVC o Hormigón para minimizar los daños por presión del terreno. 44 8.1.2- CIMENTACIÓN La cimentación empieza con la surcación del agujero, se instala toda la ferralla de acero cuarrugado ( capacidad de soportar esfuerzos de tracción ). Y se realiza el encofrado del hormigón. El fraguado del hormigón es una reacción química. Donde el agua pasa a ser parte del hormigón por una reacción de hidratación exotérmica. Se deben de tener en cuenta varios factores: • Proximidad a las vías de acceso • Capacidad de producción en la zona • Cantidad de ferralla y disposición de la misma • Cantidad de hormigón y como se va a realizar su producción. • Peso a soportar de la misma 8.1.3- SUBESTACIÓN ELÉCTRICA. Para poder realizar una buena conexión a la red, se debe de tener en cuenta si el nodo al que nos queremos conectar está saturado o no y si en la zona donde vamos a implantar nuestro parque hay una suficiente demanda energética (para así no sobrecargar la red) La compañía eléctrica será la que decida el nivel de tensión y punto de conexión del productor. - CONFIGURACIÓN El punto de partida de la consturcción de la subestación es el esquema unifilar donde se describen todos los parámetros de (tensión, esfuerzos, conexiones eléctricas, etc.). De esta forma se podrán saber los dimensionados de la misma Una subestación se compone por 2 partes 45 • Parque intemperie Formado por las siguientes posiciones: ➢ Una posición de línea que conecta a través de un pórtico con la línea de AT ➢ un transformador de MT/AT (Estos dos elementos principales deben de estar seguidos por sus respectivos equipos de protección, medida y maniobra) ➔ Aparamenta de Subestación Edificio de control La distribución mínima consta de 3 partes importantes 46 ➢ En el edificio, se dispondrá un sistema de zanjas visitables que permitan el tendido de cables por dentro de el y que además sea accesible por los operarios ➢ La entrada y salida de cables al edificio se hará subterránea. • Sistema de control ➢ Todas las instalaciones estarán supervisadas por un sistema de control global que permitirá realizar la supervisión y control de todos los equipos del parque. ➢ El sistema de telemándo eólico (SCADA) es modular y flexible ➢ Se basa en una salida de datos gráficos, interacción con el usuario, actualización continua de los datos y seguridad en la transmisión y almacenaje de datos Puesto de mando y supervisión de los aerogeneradores Supervisión, actuación en cada uno de los aerogeneradores y el parque de forma general y modificar parámetros del programa que gobierna el funcionamiento de la turbina y dar órdenes básicas como parada, rearme, etcétera. Puesto de mando y supervisión de la subestación ( AT/MT) y líneas AT. Mediante un sistema de control integrado compuesto por: UCS (UNIDAD DE CONTROL CENTRAL) y UCP ( UNIDAD DE CONTROL DE POSICIÓN). Que supervisan en tiempo real parámetros, órdenes y señales de los elementos de la subestación [ Sistemas almacenan datos en archivos históricos con sus representaciones en diagramas ] El puesto de mando recibe información por las redes de info siguientes: Red de comunicacionesde los aerogeneradores : Cada aero tiene su sistema de control propio que se comunica con el sistema central por medio de una red en anillo tipo bus con cables FO tipo multipolar. 47 Red de comunicación de la subestación : La UCS y las distintas UCP’s se interconectan con cables FO multipolar Información que proviene de cada estación. Estación Información Aerogeneradores Subestación • Estado del generador • Posición de la góndola • Presencia de errores • Posición del pitch • Frecuencia de red generada • Coseno de fi • Tensión de las tres fases • Corriente de las tres fases • Potencia generada • Velocidad del generador • Velocidad del rotor • Velocidad del viento • Temperaturas • Energía producida • Horas de funcionamiento • Tensión entre las 3 fases • Corriente de las 3 fases • Potencias activa y reactiva • Energía activa generada • Energía reactiva • Entradas digitales de loc componentes de la subestación Red • Tensión de las tres fases • Corriente de las tres fases • Potencia activa y reactiva • Energía activa generada • Energía reactiva • Entradas digitales de loc componentes de la subestación 48 Estación meteorológica • • Velocidad de viento • Dirección de viento • Temperatura • Presión atmosférica • Medida de cantidad de lluvia Ingeniería de Red Partiendo de los resultados de potencia máxima disponible (estudio eólico y tipo de aerogenerador a utilizar) se diseñan los temas relacionados con la red general del parque. ➢ Etapa 1 – Diseño de los sistemas propios del parque eólico. - Cálculo de la red de tierras generales - Definición y cálculos de cables de control de media y baja tensión ➢ Etapa 2 – Acondicionamiento de la producción al sistema eléctrico a conectar - Cálculo de cortocircuito en todo el sistema - Diseño y cálculo de línea de AT - Comportamiento de instalación en funcionamiento ➔ Líneas de AT • Sus características serán las que marque el operador del sistema eléctrico o la compañía eléctrica • El proyecto forma parte independiente del conjunto del proyecto de parque • La línea podrá ser de simple o doble circuito • Características generales: - Diámetros - Sección - Carga de rotura - Módulo de elasticidad - Resistencia eléctrica 49 50
