Fundamentos de Energías Renovables - Tema A2 - 2024-2025 PDF

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Tema A2. Fundamentos de los sistemas eólicos Fundamentos Fundamentos de energías de energías renovables renovables BLOQUE A: SISTEMAS EÓLICOS Tema 2. Fundamentos de los sistemas eólicos Pablo Sanchis Gúrpide Curso 2024-2025 [email protected] Dpto. de Ing. Eléctrica, Electrónica y de Comunicación 1 Tema A2. Fundamentos de los sistemas eólicos Fundamentos de energías renovables 2.1 Un poco de historia Ø Primeros molinos q Aparecen en Persia en el siglo VIII q En el siglo XII se extienden por toda Europa los molinos de eje horizontal para moler trigo Ø Molinos de bombeo q En los países bajos se extendieron notablemente, con el fin de bombear agua y drenar así el terreno Ø Primeros aerogeneradores Turbina eólica para generación de electricidad q 1888, Charles F. Brush Funcionamiento automático 12 kW durante 20 años Rotor: 144 palas y 17 m de diámetro q Principios del siglo XX: Máquinas de pocas palas y giro rápido Generadores de 20 a 35 kW 2 Tema A2. Fundamentos de los sistemas eólicos Fundamentos de energías renovables Ø Crisis del petróleo (1973) Primera gran expansión: “Californian Wind-rush” q 1as series industriales: caída del coste q Máquinas pequeñas (55kW) de 3 palas q Multitud de máquinas: gran impacto visual q Se terminó con el fin de las ayudas públicas Ø Años 90 q Políticas estatales de ayuda q Desarrollo exponencial de la energía eólica q Bajada constante de costes: Nuevos métodos de fabricación Economías de escala Desarrollo de electrónica de potencia q Continuo aumento de potencia de las máquinas, al final de la década: 1996 Parque eólico de El Perdón: 40 Modelos comerciales de 600-800 kW aerogeneradores de 500 kW 3 Tema A2. Fundamentos de los sistemas eólicos Fundamentos de energías renovables Ø En la actualidad q Se sigue aumentando la potencia q Onshore (en tierra) NORDEX-ACCIONA N175/6.0 6,0 MW Ф 175 m SIEMENS-GAMESA SG 6.6-170 6,6 MW Ф 170 m q Offshore (en el mar) ENERCON E126 7,58 MW Ф 127 m SIEMENS SWT 8.0 8 MW Ф 154 m VESTAS V164-9.5 9,5 MW Ф 164 m GE HALIADE-X 14MW Ф 220 m CSSC H260-18 18MW Ф 260 m q Instalaciones rentables no requieren ayudas q Campos de trabajo actual integración en la red eléctrica: Contribución a los servicios de la red Comportamiento ante huecos de tensión 4 Tema A2. Fundamentos de los sistemas eólicos Fundamentos de energías renovables 2.2 Tipos de aerogeneradores Turbinas de eje vertical Ø Ventajas Savonius Darrieus Rotor en H q No necesita orientarse en dirección al viento. q Maquinaria a ras de suelo. q Fácil construcción. q Gira a baja velocidad (poco ruido). Ø Inconvenientes q Rendimiento inferior al de los aerogeneradores de eje horizontal. q Las guías mecánicas de la parte inferior tienen que aguantar el peso de la turbina. Ø En la actualidad, salvo raras excepciones, las únicas máquinas de eje vertical que se construyen son de poca potencia y destinadas a ser colocadas en edificios. Ø En entornos urbanos donde el viento está muy perturbado, resulta muy interesante la característica de poder recibir el viento en cualquier dirección. 5 Tema A2. Fundamentos de los sistemas eólicos Fundamentos de energías renovables Turbinas de eje horizontal Ø Rotor eólico q Formado por las palas y el buje q Capta la energía del viento y la transforma en movimiento Ø Góndola q Agrupa los elementos mecánicos, el generador y, a veces, el transformador Ø Torre q Función estructural q Permite el acceso a la góndola q Puede albergar el transformador y la conexión a la red 6 Tema A2. Fundamentos de los sistemas eólicos Fundamentos de energías renovables 2.3 Componentes de un aerogenerador Rotor eólico Ø Compuesto de las palas y el buje. Ø Normalmente el rotor se sitúa a barlovento (delante de la góndola). 7 Tema A2. Fundamentos de los sistemas eólicos Fundamentos de energías renovables Palas Ø Suelen fabricarse de fibra de vidrio Ø Son el componente de mayor coste del aerogenerador (20-30%) Ø Tienen un perfil aerodinámico muy estudiado para maximizar la potencia absorbida Ø ¿Quién las fabrica? q La mayor parte de los fabricantes de aerogeneradores producen sus propias palas (Vestas, Siemens Gamesa, Enercon) q También hay empresas que se dedican exclusivamente a ello (LM) 8 Tema A2. Fundamentos de los sistemas eólicos Fundamentos de energías renovables Buje Ø Pieza de fundición que une las palas al eje de baja velocidad Ø Debe: q Transmitir la potencia de las palas al eje q Soportar el peso de las palas Ø Diseño y cálculo difícil Ø Pieza muy pesada q 5.000 kg en una máquina de 850 kW q 15.000 kg en una máquina de 2 MW Ø Al igual que la góndola, va cubierto de una capota de fibra de vidrio 9 Tema A2. Fundamentos de los sistemas eólicos Fundamentos de energías renovables Góndola 10 Tema A2. Fundamentos de los sistemas eólicos Fundamentos de energías renovables Tren mecánico Ø Compuesto de: q Eje baja velocidad q Multiplicadora q Eje alta velocidad Ø Conjunto eje lento + multiplicadora: q Debe soportar todo el peso del rotor eólico q Pueden pensarse 3 disposiciones: Cojinetes integrados en la Cojinete trasero integrado Eje con dos cojinetes separados multiplicadora en la multiplicadora Disposición inicial: Corto Disposición más utilizada: la multiplicadora no soporta carga la multiplicadora más solución intermedia larga y pesada compleja y cara 11 Tema A2. Fundamentos de los sistemas eólicos Fundamentos de energías renovables Multiplicadora Ejemplo de una turbina de 2 MW: Ø Adapta la velocidad del rotor eólico (15-30 Velocidad Par rpm) a la del generador eléctrico (1000- 1500 rpm) Eje lento 17 rpm 1130 kNm Eje rápido 1500 rpm 12 kNm De ejes paralelos De engranajes planetarios Ø Más sencillos y baratos Ø Transmiten menos par Ø Más robustos y caros 12 Tema A2. Fundamentos de los sistemas eólicos Fundamentos de energías renovables Ø La multiplicadora tiene que aguantar muchos esfuerzos por lo que es un elemento muy importante desde el punto de vista del mantenimiento. Ø Suelen constar de varias etapas de conversión, por ejemplo, un planetario a la entrada y uno o dos paralelos a la salida, Límites en la velocidad de giro del rotor eólico Ø Los generadores eólicos se construyen habitualmente de forma que la velocidad de la punta de pala sea una determinada (debido a emisión de ruido acústico y a esfuerzos mecánicos en las palas), de valor comprendido entre 70 - 90 m/s (252 – 324 km/h). Ø Esto quiere decir que según aumenta la potencia del aerogenerador (aumenta el radio del rotor) -> disminuye la velocidad de giro de las palas. 13 Tema A2. Fundamentos de los sistemas eólicos Fundamentos de energías renovables Ø La multiplicadora es un elemento muy delicado: q Absorbe los esfuerzos aerodinámicos q Es uno de los elementos que más fallan q Su mantenimiento es caro Ø ¿Se puede eliminar? Máquina de ataque directo Sí: utilizando un generador de elevado número de pares de polos (baja velocidad) Ø ¿Por qué son todos los aerogeneradores así? Principal inconveniente mayor coste A día de hoy, cada vez hay más modelos Direct-driven machine Ejemplo: Siemens SWT-8.0-154 año 2017 14 Tema A2. Fundamentos de los sistemas eólicos Fundamentos de energías renovables Freno Ø En operación normal se frena por medio del generador eléctrico (Tem de frenado) Ø Cuando hace falta un par de frenado mayor al par nominal de generador se usan frenos aerodinámicos q Se rota la pala desorientándola respecto del viento q Se frena completamente colocando las palas en bandera Ø Freno de disco q Situado en el eje de alta velocidad para requerir un menor par q Se utiliza para bloquear el rotor y a veces para asegurar la frenada Freno de disco Rotación de las palas Palas en bandera 15 Tema A2. Fundamentos de los sistemas eólicos Fundamentos de energías renovables 2.4 Extracción de energía del viento: modelo aerodinámico 2.4.1 Potencia disponible del viento 1 Ø Una masa m de aire a velocidad U1 tiene una energía cinética: !! = & '"# +!! 1 # +& 2 Ø La potencia disponible de este viento es: ($ = = '" +, 2 +, Ø El flujo másico o masa de aire por unidad de tiempo que atraviesa una superficie A (rodaja de aire) es: !" = $!% = $&!' !" !' = $& = $&)! !( !( $%! " $' # " Ø Por tanto, la potencia disponible del viento es: ($ = $& =# ' $& " = # ) * '"( 16 Tema A2. Fundamentos de los sistemas eólicos Fundamentos de energías renovables Ø La potencia disponible del viento es proporcional a: " ($ = ) * '"( o El cubo de la velocidad del viento en el rotor eólico # (área de barrido de las palas) Potencia disponible por metro cuadrado o La densidad del aire. En condiciones estándar 1 (nivel del mar y 15º C) la densidad del aire es de 76.5 612.5 1,225 Kg/m3. 4900 o La superficie barrida por las palas (el cuadrado de (m/s) la longitud de pala). 17 Tema A2. Fundamentos de los sistemas eólicos Fundamentos de energías renovables 2.4.2 Teoría del disco actuador: balance de potencia entrada-salida q El aerogenerador no absorbe toda la energía cinética del viento. La potencia captada Pc o absorbida es la diferencia entre las potencias de entrada y salida de la vena fluida: 1 +& # 1 (! = (" − (# = '" − '## = )*' '"# − '## 2 +, 2 U1 rotor eólico U U2 U1 ¿Cuánto vale U? A1 A A2 En rojo velocidad del viento en la dm/dt=cte vena fluida U2 q Principio de conservación de masa en la vena fluida: dm/dt=cte. q Como el rotor eólico extrae energía del viento, el aire se decelera (U2A1). 18 Tema A2. Fundamentos de los sistemas eólicos Fundamentos de energías renovables q La caída de velocidad desde la entrada al rotor eólico se define por medio del coeficiente de velocidad inducida a como: U = U1 (1 - a )./0 0 < 3 < 1 U1 rotor eólico U U2 U1 A1 A A2 En rojo velocidad del viento en la dm/dt=cte vena fluida U2 q Se puede aproximar la variación de la velocidad a lo largo de la vena fluida por un decrecimiento lineal. q Por lo tanto, la velocidad del viento en el rotor eólico se corresponde a la media aritmética de U1 y U2: U1 + U 2 U= Þ U 2 = U1 (1 - 2a ) 2 19 Tema A2. Fundamentos de los sistemas eólicos Fundamentos de energías renovables q Introduciendo el valor de la velocidad en el rotor eólico en la expresión de la potencia captada (Pc) se tiene 1 1 '" + '# (! = )*' '"# − '## = )* '"# − '## 2 2 2 q La potencia captada por el rotor eólico (Pc) se puede expresar en función del coeficiente de velocidad inducida (a) de la siguiente manera: Pd (potencia disponible del viento) 1 U 2 =U1 (1 - 2a) Þ Pc = r AU13 4 a (1 - a) 2 2 q La máxima potencia que puede captar el rotor eólico se obtiene derivando Pc respecto de a e igualando a cero: Límite de Betz = 0.5926 dPc 1 1 16 = 0 Þ a = Þ Pc, max = r AU13 × da 3 2 27 q Por tanto, Pc,max se alcanza cuando la velocidad del aire a la salida del aerogenerador (de la vena fluida, U2) es la tercera parte de la velocidad del aire de entrada (U1): dPc 1 U = 0 Þ a = Þ U 2 = U1 (1 - 2a ) = 1 da 3 3 20 Tema A2. Fundamentos de los sistemas eólicos Fundamentos de energías renovables Límite de Betz: 1 Como mucho podemos aprovechar el 59,26 % de la potencia del viento Límite de Betz Coeficiente de potencia Ø El coeficiente de potencia Cp mide la fracción de la potencia del viento que se aprovecha: 1 c p , max (teórico ) = 0,5926 Þ Límite de Betz Pc = r AU13 C p 2 c p , max (real ) < Límite de Betz Depende en gran medida de las palas Velocidad específica (* o TSR) Ø Cp depende de las características constructivas de la turbina (tipo de rotor), así como del punto de operación en el que trabaja definido por la relación de velocidades en punta de pala, denominada λ (Tip Speed Ratio, o TSR),: Ω$% R radio del rotor o longitud de pala != Ω velocidad de rotación &! U1 velocidad viento antes de la turbina sin perturbar 21 Tema A2. Fundamentos de los sistemas eólicos Fundamentos de energías renovables Curva Cp - lambda Ø La relación entre Cp y lambda para un rotor eólico concreto se representa a través de la curva Cp-lambda. Ø La curva Cp-λ de una turbina determina, por tanto, el porcentaje de captación de potencia respecto de la disponible del viento para un punto de operación concreto de velocidad de viento y velocidad de rotación. Ø Importante: el valor de Cp (es decir, del porcentaje de captación de potencia) no cambia mientras no varíe la relación entre ambas velocidades. Ø Ejemplo de curva Cp – lambda para una turbina cualquiera (el punto marcado es un punto cualquiera): Ω7 5= '" 22 Tema A2. Fundamentos de los sistemas eólicos Fundamentos de energías renovables Ø Las curvas de Cp-lambda, y por tanto la eficacia del rotor eólico a la hora de extraer la máxima energía del viento, dependen del número y geometría de las palas: q La mayor eficacia se obtiene con las turbinas de eje horizontal de dos o tres palas. q Cuanto menor es el número de palas más planas son las curvas de Cp. El interés de esta característica reside en que no es tan importante la adecuación de la velocidad de la turbina a la del viento. (fuente: ABB) 23 Tema A2. Fundamentos de los sistemas eólicos Fundamentos de energías renovables Potencia de un aerogenerador para distintas velocidades de viento Ø Dada una velocidad de viento U1: 1 ($ = ) * '"( 2 Si la turbina gira a Ω: Ω7 Cp× (! = 1 2 ) * 8) '"( 5= (para U1 y Ω) '" Ø Curvas de potencia de un aerogenerador en función de la velocidad de giro (en rpm) para diferentes velocidades de viento (en m/s). Ø Para cada velocidad de viento, existe una velocidad de giro que maximiza la potencia captada (optimal speed). 24 Tema A2. Fundamentos de los sistemas eólicos Fundamentos de energías renovables 2.5 Curva de potencia de un aerogenerador Ø Representa la potencia eléctrica generada por un aerogenerador en función del viento medido a la altura del buje. Se obtiene para una densidad del aire dada, con las palas limpias y un viento sin perturbaciones. Potencia eléctrica a la salida Velocidad del viento a la altura del buje Ø Velocidad de arranque (2-4 m/s): rotor comienza a girar y el generador genera tensión. Ø Velocidad nominal (10-14 m/s): el aerogenerador genera potencia nominal. Ø Velocidad de desconexión (20-25 m/s): se detiene la máquina para evitar daños. 25 Tema A2. Fundamentos de los sistemas eólicos Fundamentos de energías renovables 2.6 Clases de aerogeneradores Ø La norma IEC 61400-1 clasifica los aerogeneradores en función del tipo de viento para el que están diseñados: Clase de turbina Viento medio Viento extremo Racha máxima I: High wind 10 m/s 70,0 m/s esperable en 50 años II: Medium wind 8,5 m/s 59,5 m/s III: Low wind 7,5 m/s 52,5 m/s IV 6,0 m/s 42,0 m/s Ø Un aerogenerador diseñado para una clase concreta se dimensiona para resistir climas en los que el valor extremo de la velocidad durante 10 minutos a la altura del buje sea el correspondiente al viento extremo. Ø A su vez, en función de la turbulencia con la que pueden trabajar, se definen las subclases A y B: Subclase turbulencia A 18 % B 16 % 26 Tema A2. Fundamentos de los sistemas eólicos Fundamentos de energías renovables 2.7 Fuerzas aerodinámicas. Sustentación y arrastre Ø Un perfil aerodinámico (ala de avión), al desplazarse a través del aire, experimenta una fuerza que puede descomponerse en dos componentes: q Sustentación (perpendicular a la dirección de avance) L=1/2·Cl·ρ·c·S·v2 (c: cuerda del perfil) q Arrastre (paralela a la dirección de avance) D=1/2·Cd ·ρ·c·S·v2 Ø Los coeficientes de sustentación Cl y de arrastre Cd son función del perfil aerodinámico y del ángulo L Borde de formado entre la cuerda del perfil y la dirección del ataque viento (ángulo de ataque del perfil, α). Cuerda Ø La sustentación del perfil se D v Borde de α salida produce por dos factores: q La velocidad de la corriente que circula sobre el perfil es mayor que la que circula bajo el perfil, lo que crea una diferencia de presiones. q Al encarar la corriente con un ángulo de ataque, el perfil deflecta la corriente hacia abajo, lo que impulsa el perfil hacia arriba. 27 Tema A2. Fundamentos de los sistemas eólicos Fundamentos de energías renovables Ø Los perfiles aerodinámicos se diseñan para tener arrastre mínimo y máxima sustentación. Ø Los coeficientes de sustentación Cl y de arrastre Cd son función del ángulo de ataque del perfil α. Cada perfil aerodinámico presenta unas curvas características de Cl y Cd 1.5 1 0.5 Cl, Cd 0 -10 0 10 20 a (º) -0.5 αopt αcrit -1 Ø El ángulo de ataque óptimo (alta sustentación y bajo arrastre) en perfiles eólicos ≈ 12º Ø Con un ángulo de ataque superior al crítico, el perfil entra en pérdida aerodinámica: q el flujo en la parte superior del perfil se convierte en turbulento y deja de sustentar q el arrastre que sufre el perfil aumenta sustancialmente 28 Tema A2. Fundamentos de los sistemas eólicos Fundamentos de energías renovables 2.8 Fuerzas aerodinámicas en un perfil de pala Ø Para cada perfil situado en una pala de aerogenerador, la velocidad de la corriente de aire que entra en contacto con el perfil es la suma de dos velocidades vectoriales: q La velocidad de arrastre debida a la rotación de las palas V=Ω·r Esta componente es cero en el buje y máxima en la punta de la pala q La velocidad absoluta del viento en el rotor eólico U Esta componente es aproximadamente constante en toda la longitud de la pala (varía conforme cambian las condiciones de viento) Ø La velocidad relativa es la suma vectorial de ambas velocidades W q Depende de r, que varía desde 0 en el buje hasta R (en la punta de pala) ) q Forma un ángulo de incidencia φ respecto al plano de giro de la pala - = tan"! Ω·3 V= Ω·r Ω·r Ω: velocidad giro rotor f r: radio sección analizada Borde de U ataque U: velocidad del viento U W Rotación del aerogenerador: sentido horario W: velocidad relativa (sección mirando desde arriba) 29 Tema A2. Fundamentos de los sistemas eólicos Fundamentos de energías renovables Sustentación y arrastre Ø La velocidad relativa W es la que origina las fuerzas aerodinámicas de sustentación y resistencia (o arrastre). Ø La fuerza de sustentación L se generará en una dirección perpendicular a la dirección relativa del viento W que ve el perfil: L=1/2·Cl·ρ·c·W2 (c: cuerda del perfil) Ø La fuerza de arrastre D se generará en la dirección relativa del viento W: D=1/2·Cd·ρ·c·W2 Ø Los valores de Cl y Cd serán los correspondientes al ángulo de ataque “α” del perfil. R L V= Ω·r f D V= Ω·r a f U U W W 30 Tema A2. Fundamentos de los sistemas eólicos Fundamentos de energías renovables Fuerzas aerodinámicas referidas al rotor Ø La proyección de las fuerzas aerodinámicas respecto a los ejes del aerogenerador suministra las fuerzas en plano de rotor o tangencial y axial: q Fuerza tangencial FP: acelera o frena el eje. COMPONENTE DESEADA q Fuerza axial o de empuje FA: tiende a tumbar hacia atrás la turbina. NO DESEADA R FA =( = @ A sin E − F A cos E FP f W Ø Par total ejercido por el viento sobre el eje Tv: la suma de las fuerzas tangenciales generadas en todas las secciones cada una multiplicada por su distancia al eje de rotación (radio). , :* = 3 < =( > · > +> + 31 Tema A2. Fundamentos de los sistemas eólicos Fundamentos de energías renovables Ángulo de torsión de un perfil y variación a lo largo de la pala Ø Ángulo de torsión (δ) q El ángulo de torsión se define como el ángulo entre la cuerda de cada perfil de pala y el sistema de coordenadas fijo de la pala (típicamente posicionado según la cuerda del perfil de punta de la pala). q Es una propiedad específica (constructiva) para cada perfil de pala. plano de giro del rotor eólico δ sistema de α f coordenadas pala = sistema de W coordenadas buje I =Φ−K 32 Tema A2. Fundamentos de los sistemas eólicos Fundamentos de energías renovables Ø Variación del ángulo de torsión a lo largo de la pala q La velocidad de arrastre v debido a la Ω·R rotación de las palas Ω depende de la distancia del perfil de pala al eje de giro r. q En consecuencia, el ángulo de incidencia es mayor cerca de la raíz de la pala y disminuye hacia la punta de pala. R q Para conseguir que todas las secciones (o Ω·r2 perfiles) de la pala funcionen con un ángulo de ataque óptimo los perfiles α = f(U, Ω·r) aerodinámicos de las palas están orientados según un ángulo de torsión. r2 sistema de U coordenadas Ω·r1 Velocidad del viento fijo de la pala (≈ homogénea en r1 toda el área del rotor) Ω Cuanto más cerca de la raíz de la pala (sección de mayor área) mayor ángulo de torsión 33 Tema A2. Fundamentos de los sistemas eólicos Fundamentos de energías renovables Ángulo de paso de la pala (β) Ø Es la posición relativa entre los sistemas de coordenadas de la pala y el buje. Es decir, es el ángulo de giro de toda la pala respecto del buje, y es, por tanto, un ángulo único para todos los perfiles de pala. Este ángulo es fijo (y típicamente cero) o variable dependiendo de si la máquina es de paso fijo o variable. Ø Lógicamente, la variación del ángulo de paso de la pala modifica el ángulo de ataque de todos los perfiles de la pala, ya que modifica su posición respecto de la dirección de la velocidad relativa del viento. sistema de coordenadas pala sistema de coordenadas buje ' =Φ−*−+ 34