7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
1/118
CAPACITACIN PARA LOS ESTADOS MIEMBROS DE LA
CURSO CAPEV 7 2010
CURSO DE CAPACITACIN VIRTUAL:
TENDENCIAS TECNOLGICAS Y APLICACIONES DELA ENERGA ELICA PARA LA GENERACIN
ELCTRICADr. Oscar Alfredo Jaramillo Salgado
Centro de Investigacin en Energa. Universidad Nacional Autnoma de Mxico
[email protected] 3 de Mayo 2010
mailto:[email protected]:[email protected]7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
2/118
Diseo de Aerogeneradores
y
Sistemas de Control
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
3/118
Diseo de aerogeneradores: consideraciones bsicas de carga
Cuando se disean y construyen aerogeneradores, se debe tener en cuenta la
resistencia, el comportamiento esttico y dinmico de los componentes y las
propiedades de fatiga de los materiales empleados y de cmo actan estos en todoel conjunto.
Los aerogeneradores modernos no se construyen con muchas palas o con palas
muy anchas, esto es, las turbinas elicas no presentan un rotor muy slido, ya que
ste estar sometido a fuerzas muy grandes, cuando el viento sopla a una
velocidad muy alta se pueden presentar fallas mecnicas y estructurales.
Los fabricantes de aerogeneradores deben certificar sus turbinas, garantizando que
una vez cada 50 aos pueden soportar vientos extremos de unos 10 minutos de
duracin.
Por lo tanto, para limitar la influencia de los vientos extremos, los fabricantes deturbinas optan por construir turbinas con pocas palas, largas y delgadas. Se utilizan
perfiles aerodinmicos que permiten un torque adecuado a velocidades
relativamente altas de 20 rpm hacer funcionar la caja de engranes y el generador.
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
4/118
Cargas de fatiga (fuerzas)Las aerogeneradores estn sujetos a vientos fluctuantes y, por tanto, a fuerzas
fluctuantes. Esto se da particularmente en el caso de estar emplazados en un clima
elico muy turbulento.
Los componentes sujetos a una flexin repetida pueden desarrollar grietas, que en
ltima instancia pueden provocar la rotura del componente. Un ejemplo de esto es
la enorme mquina alemana Growian (100 m de dimetro de rotor), que tuvo que
ponerse fuera de servicio en menos de 3 semanas de funcionamiento. La fatiga del
metal es un problema bien conocido en muchas industrias. As pues, generalmente
el metal no se elige como material para las palas del rotor.
En el diseo de una turbina elica, es muy importante calcular por anticipado
como vibrarn los diferentes componentes, tanto individualmente como en
conjunto. Tambin es importante calcular las fuerzas que participan en cada flexin
y estiramiento de un componente. De esto se ocupa la dinmica estructural, donde
los fsicos han desarrollado modelos matemticos de ordenador que analizan el
comportamiento de toda la turbina elica. Estos modelos son utilizados por los
fabricantes de turbinas para disear sus mquinas de forma segura.
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
5/118
Normas Nacionales e Internacionales
La preparacin de normas nacionales e internacionales, que contiene normas para
el diseo de aerogeneradores comenz en la dcada de 1980. La primerapublicacin fue un conjunto de normas para la certificacin elaborado por
Germanischer Lloyd en 1986. Estas reglas iniciales fueron posteriormente
mejoradas como el conocimiento adquirido, conduciendo a la publicacin de
Regulation for the Certification of Wind Energy Conversion Systems por
Germanischer Lloyd en 1993. Esto adems fue modificado por suplementos
expedidos en 1994 y 1998. Mientras tanto, tambin normas nacionales fueronpublicadas en The Netherlands (NEN 6096, Dutch Standard, 1988) y Dimnamarca
(DS 472, Danish Standard, 1992).
The International Electrotechnical Commission (IEC) comenz a trabajar en el
primer estndar internacional en 1988, drigido a la publicacin de IEC 1400-1
Wind turbine generator systems
Part 1 Safety Requirements en 1994 (Second
Edition IEC, 1997). Apareci una edicin revisada, que contiene algunos cambios
significativos en 1999, teniendo el nuevo nmero de IEC 61400-1.
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
6/118
IEC 61400-1
La norma IEC 61400-1 Wind turbine generator systems Part 1 Safety
Requirements identifica cuatro clases diferentes de turbinas de viento para
adaptarlas a diferentes condiciones de viento del sitio, con el aumento de nmerode designacin de clase correspondiente a la reduccin de la velocidad del viento.
Los parmetros de la velocidad de viento para cada clase se dan en la tabla 5.1.
Un parmetro fundamental para el diseo de la turbina de viento es la intensidadde la turbulencia, que se define como la relacin entre la desviacin estndar de
las fluctuaciones de velocidad media del viento.
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
7/118
Reglas para certificacin Germanischer LloydGermanischer Lloyds Regulation para la certificacin de sistemas de conversin de
energa de viento, comnmente referidas como reglas GL, adopta la misma
clasificacin de turbinas de viento que la IEC 61400-1, pero especifica un valor
nico a la altura del buje de la intensidad de la turbulencia del 20 por ciento. Unmayor nmero de casos de carga se especifican, pero muchos de ellos estn en
paralelo con la IEC 61400-1. Las normas de GL tambin proporcionan un espectro
simplificado de fatiga para la carga aerodinmica y cargas de diseo de turbinas de
de tres palas sin control de ngulo de paso.
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
8/118
Danish Standard DS 472
DS 472 basa el diseo extremo de velocidades de viento en ncuatro clases de
terreno, que van desde la muy suave (extensiones de agua) a la muy accidentado
(por ejemplo, las zonas edificadas). La velocidad del viento base se considera la
misma para toda Dinamarca, por lo tanto, el resultado es cuatro perfiles
alternativos de variacin de la velocidad de viento con altura. La filosofa detrs de
la seleccin de casos de carga de diseo en el estndar dans es similar a la IEC-
1400 y a GL rules, Aunque el nmero de casos de carga es menor.
Del mismo modo, los requisitos para los sistemas de control y de seguridad son una
vez ms claramente establecidos. DS 472 se distingue en que incluye un
tratamiento detallado para la obtencin de espectros de carga de fatiga
simplificado para turbinas de tres palas con regulacin por desprendimiento deflujo (stall-regulated ) y un mtodo para calcular os factores de respuesta las
rfagas de viento de las palas y la torre.
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
9/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
10/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
11/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
12/118
Cargas y tensiones estructurales
Los aerogeneradores estn sometidos a cargas y tensiones muy especficas. Debido
a la naturaleza del viento, las cargas son muy variables. Cargas variables son ms
difciles de manejar que cargas estticas debido a que el material presenta
fatigada.
El diseo estructural de una turbina de viento deber considerarse en tres aspectos
diferentes:
En primer lugar, debe prestarse atencin a garantizar que los componentes estn
diseados para las cargas extremas encontradas. Esto significa que la turbina y sus
componentes esenciales deben ser capaces de soportar las velocidades de viento
ms altas que pueden ocurrir.
El segundo requisito es que se debe garantizar la vida de fatiga de los componentes
para su vida til, como regla, de 20 a 30 aos. Mientras las tensiones con respecto
a la carga extrema pueden ser estimadas relativamente fcil, el problema de la
"vida de fatiga" es virtualmente la cuestin clave en turbinas de viento.
El tercer requisito refiere a rigidez de componente con respecto a las vibraciones y
deflexiones crticas. El comportamiento vibracional de una turbina de viento puede
mantenerse bajo control slo cuando los parmetros de la rigidez de todos sus
componentes cuidadosamente coinciden. Aparte de una resistencia adecuada, un
criterio ms es la rigidez necesaria.
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
13/118
Los mtodos matemticos necesarios para calcular cargas estructurales y
comportamiento de material se incluyen como algunas de las ms complejas
herramientas tericas necesarias para el desarrollo de turbinas elicas. Los
modelos bsicamente no son diferentes de los utilizados en otros campos de la
tecnologa. No obstante, el curso de accin a adoptarse en relacin con el diseo
estructural de una turbina de viento se rige por su propio conjunto de problemas.
El punto de partida para el espectro de toda carga de una turbina de viento son lascargas actuando sobre el rotor. Las cargas sobre las palas del rotor se pasan a los
otros componentes y en gran medida, determinar su carga. En comparacin con
estas cargas, las cargas procedentes directamente de componentes aguas abajo
son menos significativas. La discusin de las cargas que actan en una turbina de
viento pueden, por lo tanto, referirse al rotor y verse como representativas de
todas las partes
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
14/118
Cargas en el aerogeneradorLas causas de todas las fuerzas que actan sobre el rotor son atribuibles a los
efectos de las fuerzas aerodinmicas, gravitacionales e inerciales. Las diferentes
cargas y las tensiones pueden ser clasificadas de acuerdo con sus efectos en el
tiempo en el rotor (figura 6.1):
Cargas aerodinmicas constantes con una velocidad de viento y fuerzas
centrfugas uniformes, son cargas independientes del tiempo y en estado de
equilibrio, siempre y cuando el rotor est funcionando a una velocidad constante.
Un flujo de aire que es constante, pero espacialmente no uniforme sobre el rea
de barrido del rotor causas cambios cclicos de carga sobre el rotor de rotacin.Esto incluye, en particular, el flujo irregular hacia el rotor debido al aumento en la
velocidad del viento con la altura, un flujo cruzado hacia el rotor y la interferencia
debido al flujo alrededor de la torre y sombreado de la torre.
Las fuerzas de inercia debido al peso muerto de las palas del rotor tambin
causan cargas que son peridicas e inestables. Por otra parte, las fuerzas
giroscpica producidas cuando el rotor se est orientado tambin deben ser
incluidas.
Adems del estado de equilibrio y del cambio cclico de las cargas, el rotor est
sometido a cargas no peridicas, estocsticas, causados por la turbulencia de
viento.
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
15/118
En una investigacin de tensiones
estructurales, es importante
considerar los efectos de las
variaciones de la carga con el tiempo.
Las cargas fluctuantes y alternas
deben ser dterminadas,especialmente con respecto a la vida
de fatiga de la estructura.
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
16/118
Para representar las cargas
sobre el rotor y las tensiones
estructurales, se utiliza un
sistema coordenado como semuestra en la figura 6.2. Las
fuerzas y momentos que
actan sobre las palas del
rotor se resuelven en un
sistema coordenado rotativo
con respecto a la seccintransversal de la pala. En la
direccin de la cuerda de
perfil aerodinmico, se
obtiene el componente
"chordwise y
perpendicularmente a la
cuerda del perfil se tiene la
componente "flapwise.
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
17/118
Fuentes de Carga
Las fuentes de carga que deben tenerse en cuenta son: cargas inerciales,
gravitacionales y aerodinmicos. Tambin hay cargas derivadas de acciones
operativas y de diferentes estados de funcionamiento de la turbina elica. En el
peor de los casos, muchas de estas fuentes producen cargas simultneamente
resultando en efectos acumulativos.
El complejo espectro de la carga en l del rotor y en la turbina elica completa se
convierte en comprensible slo cuando la carga total se piensa como componentes
cuyos orgenes son independientes uno de otro. Esto se aplica tanto a las cargas
debido a las fuerzas aerodinmicas y las resultantes de las fuerzas gravitacionales y
inerciales. En cuanto a la carga aerodinmica, la situacin de carga se determina
por las diferentes condiciones de flujo actuando sobre el rotor.
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
18/118
Flujo de aire uniforme y estado permente.Suponer un flujo de viento de uniforme y en estado permanente, es por supuesto,
una idealizacin que no existe en la atmsfera abierta. A efectos prcticos, este
concepto no obstante, es til para calcular el nivel de carga media que se produce
en un perodo relativamente largo de tiempo.
Si se supone un flujo constante y simtrico que penetra en la zona de barrido del
rotor, las palas del rotor de eje horizontal se someten a las fuerzas aerodinmicas
de estado estacionario.
Los momentos de flexin de las palas del rotor en la direccin chordwise son elresultado de la distribucin de fuerza tangencial, Considerando que la distribucin
de empuje es responsable para el momento de flexin de la pala en la direccin
flapwise. Debido a la torcedura de la pala del rotor, en particular, el perfil de
distribucin cambia claramente con la velocidad del viento. La torcin se ha
optimizado para una velocidad de viento nominal slo para que la distribucin de
cargas aerodinmicas corresponde aproximadamente a el ptimo terico slo paraesta velocidad de viento. En otras velocidades de viento, especialmente superiores,
el flujo se separa en las secciones de la pala cerca del buje del rotor. Esto hace que
la distribucin de las cargas aerodinmicas cambie considerablemente. Los
diagramas 6.3 y 6.4 ofrecen una impresin de la distribucin de carga
aerodinmica en las palas del rotor.
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
19/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
20/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
21/118
La Integracin de las distribuciones de carga a lo largo de la pala conduce a estimar
el total de las cargas del rotor y momrntos. La carga tangencial proporciona el par
de rotor, y la distribucin de la carga de empuje proporciona el empuje total de
rotor (fig. 6.5).
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
22/118
El examen usual de las cargas sobre las palas del rotor slo se refiere a la
distribucin de cargas en la direccin a lo largo de la pala. Esta imagen
bidimensional de carga enmascaras la realidad de un mountain range de cargasque tambin se extiende en la direccin de la cuerda de la pala. Informacin sobre
la distribucin de la carga sobre la cuerda de la pala suele ser de menor
importancia, pero es, sin embargo, necesario para tratar algunos problemas
relativos a la rigidez torsional de la pala. Adems, esta distribucin de carga debe
tenerse en cuenta al dimensionar la piel y las costillas de la pala.
Por lo general se deriva la distribucin de carga chord-wise de mediciones de la
distribucin de la presin, llevado a cabo en los modelos de perfiles
aerodinmicos en el tnel de viento. Existen catlogos que contienen informacin
sobre estas distribuciones de presin. Son caractersticos de cada perfil y varan de
acuerdo con el ngulo de ataque aerodinmico (Fig. 6.6). Por otra parte, la forma
de la elevacin aerodinmica y las caractersticas de arrastre, se ven afectados porel nmero de Reynolds. Por lo tanto, el calculo de distribucin de carga debe
hacerse con cierto cuidado.
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
23/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
24/118
Viento vertical cortante y vientos cruzados
El flujo de viento produce inestabilidad por cargas variables en funcin de la
revolucin del rotor en cuanto el viento golpea las palas de manera asimtrica.
Una asimetra inevitable es causada por el aumento en la velocidad del viento con
la altura. Durante cada revolucin, las palas del rotor son sometidas a mayores
velocidades de viento en el sector superior de rotacin y, por tanto, estn sujetosa cargas ms altas que en el sector ms cerca de la tierra. Una asimetra similar del
flujo en el rotor es causada por los inevitables vientos cruzados que se producen
con cambios rpidos en la direccin del viento.
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
25/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
26/118
La fuerza de corte vertical y los vientos cruzados sobre el rotor conducen a un ciclo
de aumento y disminucin de la distribucin de la carga aerodinmica sobre las
palas del rotor. En comparacin con una carga con un viento constante y simtrico,
existen considerables variaciones en la carga (Fig. 6.7).
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
27/118
Interferencia de la torre
La influencia del flujo aerodinmico alrededor de la torre sobre el rotor es mnimo
cuando el rotor est montado en el tradicional posicin barlovento. El rotor a
barlovento es afectado simplemente por un retardo del flujo en frente de la torre .
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
28/118
Caracterstica tpica de la estela detrs de un cuerpo con una seccin circular son
los vrtices alternos en ambos lados, que se producen con una frecuencia definida(
(vortices Krmn). Dependiendo del nmero de Reynolds del flujo, que se refiere al
dimetro del cilindro, se pueden observar tres regiones caractersticas se pueden
observar tres regiones caractersticas (Figs. 6.9 and 6.10).
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
29/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
30/118
El momento flector por la fuerza flapwise es un parmetro importante para el
dimensionamiento de la pala. La influencia de la sombra de la torre es
considerable, sobre todo teniendo en cuenta el elevado nmero de ciclos de carga
durante la vida de la turbina (Fig. 6.11).
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
31/118
La salida de energa elctrica de rotores a barlovento es un claro indicador de la
influencia de la interferencia de la sombra de torre. En casos extremos, se midieron
prdidas de energa de hasta 40% por debajo de la potencia media de la salida(Fig.
6.12).
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
32/118
Turbulencia de viento y rfagas
La turbulencia del viento (siempre presente) contribuye considerablemente a la
fatiga del material, especialmente de las palas del rotor. Velocidades de viento
extrema, aunque mucho ms raras, debe tambin tenerse en cuenta al disear laresistencia a la fatiga. Adems, pueden aumentar la carga hasta el punto de
fractura. Los problemas ms graves en cuanto se refiere a la carga se presentan por
las fluctuaciones estocsticas del viento.
Ya que el modelo espectral de la turbulencia es de carcter estadstico, se puede
utilizar un enfoque determinista. La idea bsica es definir formas de rfagasdiscretas idealizadas, representado por el aumento y disminucin de la velocidad
del viento en el tiempo. Estas rfagas, a continuacin, se supone que hechos
aislados discretos para el clculo de cargas. Es evidente que en el proceso, la
naturaleza continua de la turbulencia se pierde. La respuesta de la estructura
muestra slo la reaccin a una rfaga aislada, sin tomar en consideracin la
situacin antes de y inmediatamente despus del evento.
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
33/118
Formas de rfagas idealizadas se han obtenido al calcular las cargas en
aerogeneradores(Fig. 6.13)
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
34/118
L f i d i t bi d l i l l id d
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
35/118
La frecuencia de ocurrencia tambin puede verse en relacin con la velocidad
media del viento y el factor de rfaga (fig. 6,15).
La figura 6 16 muestra el efecto de la turbulencia del viento sobre la influencia de la
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
36/118
La figura 6.16 muestra el efecto de la turbulencia del viento sobre la influencia de la
carga dinmica especfica de una turbina elica. La flexin de las palas del rotor se
calcul inicialmente teniendo en cuenta slo la influencia de la perturbaciones
cclicas en el flujo causadas por la fuerza cortante, influencia de la torre y
parmetros similares, pero ingnorando la turbulencia. Incluyendo el espectro de la
turbulencia, los valores de deflexin, son casi el doble.
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
37/118
Cargas por gravedad e inerciaMientras que la carga aerodinmica slo se puede calcular con dificultad, las
cargas causadas por el peso de muertos de los componentes y por la fuerza
centrfuga y giroscpica son relativamente simples de calcular. La nica dificultad
es que, al comienzo de la fase de diseo, no se conocen las masas de los
componentes. Como masa, slo se puede calcular como consecuencia de la gama
de carga completa, incluido el peso muerto, varios ciclos de iteracin" son
inevitables Cuando la estructura se dimensiona.
Carga por gravedadComo resultado de la gravedad la pala presenta una flexin como una variable
sinusoidal que alcanza un mximo cuando la hoja est horizontal, y que cambia
dependiendo del ngulo en la posicin de la revolucin en la que se encuentra.
Por lo tanto es una fuente importante de la carga de fatiga.
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
38/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
39/118
Carga giroscpicaCuando un aerogenerador gira para posicionarse frente al viento (yaw sistem), las
palas experimentan cargas giroscpica perpendiculares al plano de rotacin.
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
40/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
41/118
Cargas centrfugasPara una pala rgida la rotacin genera las fuerzas centrfugas que se imprimen a los
largo de la pala.
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
42/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
43/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
44/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
45/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
46/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
47/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
48/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
49/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
50/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
51/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
52/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
53/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
54/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
55/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
56/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
57/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
58/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
59/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
60/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
61/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
62/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
63/118
Materiales.En el pasado el punto de partida para el diseo de las palas del rotor era el tipo
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
64/118
En el pasado, el punto de partida para el diseo de las palas del rotor era el tipo
de material que resultara ms adecuado. Los diseo y mtodos de fabricacin se
determinan en gran medida por las propiedades del material utilizado. En otras
palabras, la seleccin de material, el principio del diseo conceptual y el mtodo
de produccin no puede considerarse independientemente una de otra en una
situacin real.
A juzgar por la experiencia adquirida en la ingeniera de aviones, los siguientes
materiales se consideran como aptos en principio:
aluminio,
titanio,
acero, madera
material de fibra compuesta (vidrio, fibras de carbono y resinas epxicas)
Las propiedades ms importantes del material para las cuales se puede realizar
una primera evaluacin son:
Peso especfico (g/cm3) El mdulo de elasticidad (kN/m2)
Resistencia a la ruptura en relacin con el peso especfico, la llamada longitud
de rotura (km)
El mdulo de elasticidad en relacin con el peso especfico, (103 km)
Resistencia a la fatiga permitido despus de 107 a 108 ciclos de carga (N/mm2).
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
65/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
66/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
67/118
Diseos con remaches de aluminioD l i tili d l t i d i t i l d lt
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
68/118
Duralumium, utilizado en la construccin de aviones, es un material de alta
resistencia con la que se puede lograr una ventaja de peso de aproximadamente
el 30% contra diseos de acero (figura 7.3)
AceroEl acero fue el material de las palas de rotor que ms fue utilizado en los diseos
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
69/118
p q
de prueba de los aos ochenta (German Growian turbine, the American MOD-2
turbine and the Swedish WTS-75 turbine)
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
70/118
glass fibre reinforced plastics
Construccin tradicional de maderaAunque la madera tiene una tradicin de siglos como un material en la
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
71/118
Aunque la madera tiene una tradicin de siglos como un material en la
construccin de molinos de viento, su uso en la tecnologa de la energa elica
moderna fue considerada como un primer paso y hubo algunos intentos de hacer
las palas del rotor de madera. La madera resulta un excelente material por sus
propiedades mecnicas a la flexin y compresin, sin embargo su vida til no es
de muy longeba.
Diseos anteriores con compuestos de fibra reforzada
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
72/118
Compuestos de madera y epxico
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
73/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
74/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
75/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
76/118
L
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
77/118
La torre.La alta torre es un componente esencial de la turbina de eje horizontal, un hecho
que puede ser tanto una ventaja y una desventaja. Los costes, que pueden
ascender hasta el 20% de los costes globales de turbina, son, por supuesto,
desventajosos. A medida que aumenta la altura de la torre, transporte, montaje yla ereccin de la torre y el mantenimiento de los componentes tambin es cada
vez ms difcil y costoso. Por otro lado, el rendimiento de energa especfica del
rotor tambin aumenta con la altura de la torre.
Tericamente, la altura de la torre ptima se encuentra en el punto de
interseccin de las funciones de crecimiento de costo de construccin y
rendimiento energtico. Por desgracia, este punto de interseccin no resulta por
ahora tcnicamente posible. En turbinas de mayor tamao, los costos de
construccin se elevan ms rpidamente con el aumento de la altura de la torre
que en pequeas turbinas. Un papel an ms importante es interpretado por la
eleccin del sitio. En el sitios interiores, e. i. en las regiones con un alto grado de
la rugosidad de la superficie, la velocidad del viento aumenta ms lentamente
con la altura que en sitios fuera de la costa.
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
78/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
79/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
80/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
81/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
82/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
83/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
84/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
85/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
86/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
87/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
88/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
89/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
90/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
91/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
92/118
Control de supervisin o vigilancia
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
93/118
Control de supervisin puede considerarse como el medio por el cual la turbina es
llevada de un estado de funcionamiento a otro. Los estados operacionales, porejemplo, podran ser:
En espera (Stand-by), cuando la turbina elica est disponible para su operacin
si las condiciones ambientales as lo permiten,
puesta en marcha,
produccin de energa,apagado y
detencin o fuera de operacin por fallas.
El controlador de supervisin debe comprobar que cada etapa se ha completado
exitosamente antes de pasar a la siguiente. Si cualquier etapa no se completa
dentro de un cierto tiempo, o si se detecta cualquier fallo, el controlador de debecambiar a modo apagado.
Es posible pensar en otros estados o puede ser til subdividir an ms a algunos
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
94/118
Es posible pensar en otros estados, o puede ser til subdividir an ms a algunos
de estos estados. As como decidir cundo iniciar un conmutador de un estado a
otro, el control realizar la secuencia necesaria. Como ejemplo, el control de
secuencia para la puesta en marcha de una turbina de viento regulada por ngulo
de paso de velocidad fija puede constar de los siguientes pasos:
encender el actuador de ngulo de paso;
liberar el freno de eje;
colocar el ngulo de paso para un torque de arranque;
esperar hasta que la velocidad del rotor supera un determinado valor mnimo; establecer un control de lazo cerrado para el control del ngulo de paso,
incrmentar la velocida hasta la velocidad sncrona;
esperar hasta que la velocidad ha sido alacazada durante un tiempo
especificado;
cerrar los contactores de generador;
realizar el control de bucle cerrado para optimizar el ngulo de paso incrementar la demanda de energa hasta el nivel nominal.
El controlador de lazo cerrado es generalmente un sistema basado en software
que se ajusta automticamente el estado de funcionamiento de la turbina a fin de
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
95/118
mantenerla la curva operativa predefinida o caracterstica de generacin de
potencia. Algunos ejemplos de control de lazo cerrado son:
control del ngulo de paso con el fin de regular la potencia de salida de la
turbina para el nivel nominal de velocidades de viento; control del ngulo de paso con el fin de seguir un incremento de velocidad
predeterminado durante la puesta en marcha o apagado de la turbina;
control de torque de generador con el fin de regular la velocidad de rotacin de
una turbina de velocidad variable;
control de motores de orientacin en el fin de minimizar el error de
seguimiento.
El sistema de seguridad por ejemplo, se podra activar por cualquiera de las
siguientes acciones:
Sobre-velocidad que puede provocar desvoque
Sobre-frecuencia de vibracin
Tiempo de respuesta sobre-excedido
Paro de emergencia realizado por el operador
Fallo particular o generalizado en el aerogeneraodr.
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
96/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
97/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
98/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
99/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
100/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
101/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
102/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
103/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
104/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
105/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
106/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
107/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
108/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
109/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
110/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
111/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
112/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
113/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
114/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
115/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
116/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
117/118
7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010
118/118