GMPE_FT0102 Caracterización de los aerogeneradores PDF 2023

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UD01 1.2 0683. Gestión del FT02: CARACTERIZACIÓN DE LOS montaje de parques AEROGENERADORES. eólicos CFGS Técnico en energías renovables Profesor: Juan Antonio Terrones Ranz 2023 CPRI FLC Rev. Modificación Fecha Página Autor 1 Cambio UD Oct-23 Todas JTR Contenido 1. NORMAS DE REFERENCIA................................................................................................ 1 2. Tipos de aerogeneradores............................................................................................... 2 3. Clases de aerogeneradores.............................................................................................. 5 4. Elementos de aerogeneradores atendiendo a su principio de funcionamiento............... 6 4.1. Conjunto rotor- Palas................................................................................................ 6 4.1.1. Palas................................................................................................................. 10 4.2. Góndola................................................................................................................... 14 4.2.1. Rodamiento principal....................................................................................... 14 4.2.2. Multiplicadora.................................................................................................. 17 4.2.1. Generador........................................................................................................ 23 4.2.2. Sistema de yaw................................................................................................ 34 Título del documento Curso 22/23 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 FT0102 COD: 06830102 JTR Página 1 de 41 CFGS Técnico en Energías Renovables 1. Normas de referencia. Lo primero a lo que debemos atender es la diferenciación entre distintas normas y estándar. Estas normas nacen con el objetivo de aunar ciertas directrices y normalizar procesos y diseños de forma que sea necesaria su consulta. En función de su designación podemos definir: Normas ISO: Las normas ISO, documentos que especifican requerimientos que pueden ser empleados en organizaciones para garantizar que los productos y/o servicios ofrecidos por dichas organizaciones cumplen con su objetivo. n redactadas y creadas por la Organización Internacional de Normalización, un organismo internacional. Por tanto, tienen una aplicación internacional. Las normas UNE (Una norma española) son aquellas normas de carácter nacional. Son creadas por Organismo de normalización nacional a través de distintos comités técnicos. Las normas ANSI, son el estándar americano. Las normas IEC, son normas del comité electrotécnico internaciones y suelen regir y normalizar los requerimientos técnicos en cuanto a generación distribución y consumo de energía eléctrica o todo lo relacionado con la electricidad. Por otro lado, Organismo de normalización nacional es el encargado de traducir y aglutinar todas aquellas normas que tengan vigencia en nuestro país, aunque tengan un origen en otros organismos de normalización como una norma IEC. De esta forma es fácil encontrar norma UAN bajo la designación UNE -IEC _ xxxxxx. Esto simplemente nos informa de que la norma original es una norma IEC. Este es el caso de la UNE IEC 61400 que describe todos los requerimientos de diseño instalación y explotación de aerogeneradores. Los números que se designen detrás de 61400 corresponderán con un capítulo específico de esta norma. GMPE FT0102 Curso 23/24 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 FT0102 COD: 06830102 JTR Página 2 de 41 CFGS Técnico en Energías Renovables 2. Tipos de aerogeneradores. La primera subdivisión que podemos hacer es qué tipos de aerogeneradores podemos clasificar de acuerdo con su forma constructiva de aquí podemos definir por un lado aquellos aerogeneradores de eje vertical y de eje horizontal. Por un lado, los aerogeneradores de eje vertical presentan un rendimiento más bajo y por ello prácticamente se ha abandonado su aplicación en la generación industrial. El otro tipo que reconocemos es el de eje horizontal. A día de hoy prácticamente todos los aerogeneradores son de este tipo. Ahora bien, dentro de los aerogeneradores de eje horizontal debemos redefinir en dos tipos, el paradigma danés, o el paradigma mutipolo. El paradigma danés se explicará en profundidad en epígrafes posteriores ya que será objeto de mayor desarrollo dada su amplia implantación en la mayoría de los parques eólicos. Agrandes rasgos el paradigma danés implica realizar la conversión de vueltas desde la baja velocidad del rotor hasta la alta velocidad nominal de la máquina eléctrica por medio de sistemas mecánicos. El otro paradigma el multipolo, se basa en la idea de igualar la velocidad del rotor a la velocidad de acoplamiento del generador. Para ello en vez de disponer de sistemas mecánicos dispone de generadores construidos con devanados segmentados, de forma que, mediante conmutación de electrónica de potencia, se puede conectar cada bobina en serie con al anterior o conmutarla como un polo extra. En conclusión, este sistema juega con la GMPE FT0102 Curso 23/24 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 FT0102 COD: 06830102 JTR Página 3 de 41 CFGS Técnico en Energías Renovables capacidad de variar el número de polos lo que permite un mayor rango de trabajo que las máquinas de paradigma danés pero un coste mucho más elevado. Por otro lado, si atendemos a las palas o alabes empleados debemos clasificar los aerogeneradores en función del número de palas. Como podemos ver en la imagen anterior podemos encontrar aerogeneradores con un numero de palas distinto a tres palas. A día de hoy se considera el más extendidos el paradigma danés tripala. La repuesta al por qué la elección del número de palas responde principalmente al reparto de cargas, es decir, a más palas, más cercana será la suma de fuerzas a un sistema completamente circular y por tanto, más estable. Sin embargo, encontramos un problema principalmente económico y funcional ya que intentar crear aerogeneradores multipala de grandes dimensiones implica grades inversiones de materiales y de tiempo de manufactura, así como un posible aumento de peso y de ingeniería. GMPE FT0102 Curso 23/24 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 FT0102 COD: 06830102 JTR Página 4 de 41 CFGS Técnico en Energías Renovables Finalmente, al buscar un equilibrio se determinó que un aerogenerador de tres palas separadas entre ellas 120º, está lo suficientemente equilibrado en cuanto a reparto de cargas y es viable para construirlo dentro de unos parámetros. En el caso de los monopala, implica que se debe equilibrar las fuerzas añadiendo un contrapeso con el fin de mantener la inercia y el equilibrio. Supone un ahorro obvio a costa de perder rendimiento. Del tipo anterior aparece el bipala cuyo principal problema, igual que en el anterior es el desequilibrio de cargas, ya que tendrá momento de paso por puntos de desequilibrio en el que una de las dos palas perderá sustentación, quedando la suma de fuerzas no equilibrada y añadiendo vibraciones al sistema. Se estima que el paso de 1 a 2 palas supone un incremento del 10% de 2 a 3 palas un incremento del 3% al 4% del coeficiente de potencia máximo. Sin embargo, el paso de 3 a 4 palas solo implica un aumento del 1% lo que no justifica su empleo con respecto al coste e ingeniería necesaria. Por último, debemos ver dos tipos más de aerogneradores en función de su tipo de pala aquellos que mantienen sus palas fijas (de paso fijo o stall) o aquellos que emplean palas qe permiten variar el ángulo de ataque (paso variable o pitch) En ambos sistemas se emplea la pérdida aerodinámica como freno la diferencia radica en que una pala stall despliega el wing tip (imagen de la izquierda) y en un sistema de control de pitch, la pala gira alrededor de su eje. Como veremos posteriormente, el sistema de pitch además nos permite regular la potencia. GMPE FT0102 Curso 23/24 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 FT0102 COD: 06830102 JTR Página 5 de 41 CFGS Técnico en Energías Renovables 3. Clases de aerogeneradores. De acuerdo con la IEC 61400 existen cuatro clases de aerogeneradores. Clase I, II ,I y especial que se designa mediante S. La norma nos indica unos parámetros específicos para cada clase de viento y intensidad de turbulencia y otros parámetros de acuerdo con la siguiente tabla. De acuerdo con la tabla anterior, se puede observar que existe un tipo estándar que se divide en 3 clases. Hola de las anteriores. Se añade una más, que sería la clase tropical este diseño está definido para climas extremos qué pueden abrirse afectados por ciclones, huracanes. Se define una clase adicional de aerogenerador, la clase s para casos en los que se requieren unas condiciones de viento especiales o unas condiciones de seguridad especiales. GMPE FT0102 Curso 23/24 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 FT0102 COD: 06830102 JTR Página 6 de 41 CFGS Técnico en Energías Renovables 4. Elementos de aerogeneradores atendiendo a su principio de funcionamiento Principalmente un aerogenerador se divide en cuatro conjuntos Rotor y palas Góndola Torre o tubo. Sistemas de potencia A su vez cada uno de estos conjuntos se debe subdividir en aquellas partes o elementos de los que están constituidos pero que se deben estudiar atendiendo a la función que desempeña dentro de aerogenerador. A continuación, estudiaremos cada uno de los conjuntos anteriormente mencionados. 4.1. Conjunto rotor- Palas. Corresponde con la parte rotativa donde se unen las palas. De esta forma podemos diferenciar claramente el rotor y las palas. Es esta parte donde comienza la transferencia de energía por medio de una transferencia de energía cinética a las palas las cuales impulsan el rotor en su giro. En cuanto a tipología, podemos encontrar diversos tipos. Principalmente, como anteriormente hemos mencionado, existen. aquellos de rotor horizontal y de rotor vertical. En nuestro caso, estudiaremos principalmente los de rotor vertical dado que son los más extendidos hoy en día y los que mayor rendimiento presentan. Primero debemos ver el rotor o Hub como el elemento que une las palas con el tren de potencia. Por tanto, es el elemento en el que, si no comienza la transferencia de potencia, es indispensable para esta y por ello requiere de unos parámetros de diseño muy determinados. GMPE FT0102 Curso 23/24 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 FT0102 COD: 06830102 JTR Página 7 de 41 CFGS Técnico en Energías Renovables Por un lado, para soportar grandes esfuerzos en los aerogeneradores industriales, y demás deben normalmente suele estar fabricado en fundición de acero. Y presentan. 3 bridas o 3 orificios donde se instalarán las palas mediante unión atornillada. Debemos ver además que en el caso de los aerogeneradores con sistema de pitch regulable se debe incluir un rodamiento que permita el giro de la pala sobre la brida del rotor. En la siguiente imagen se puede observar una simulación de deformación (izquierda) y una simulación de stress normal. GMPE FT0102 Curso 23/24 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 FT0102 COD: 06830102 JTR Página 8 de 41 CFGS Técnico en Energías Renovables Otro de los parámetros importantes a la hora de diseñar un rotor es la distancia que se deja entre el final de la pala y el principio del tubo. Este espacio se llama en inglés Clearance y es necesario para poder evitar cierta pérdida de potencia, turbulencias o incluso que la pala llegue a tocar el tubo en momento de máxima deformación. De todo lo anterior se desprende otro, parámetro importante a considerar: la conicidad del buje. A pesar de lo que solemos considerar, las palas no están colocadas de una forma perpendicular al eje de buje. Sino que existe una desviación angular hacia adelante de la punta de las palas con respecto el eje del buje. Este ángulo reduce la fuerza centrífuga que se genera en las palas al girar lo que nos posibilita evitar ciertos esfuerzos aerodinámicos negativos. De esta forma, podemos encontrar estos dos parámetros expresados deforma el ángulo de conicidad y el ángulo de abatimiento. El ángulo de abatimiento, además, estará relacionado directamente con el ángulo de inclinación. Este ángulo de inclinación corresponde con el ángulo que formará el tren de potencia con respecto a la horizontal. En función de cómo esté unido el buje al tren de potencia, podemos distinguir dos tipos: Rígidos y basculantes. GMPE FT0102 Curso 23/24 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 FT0102 COD: 06830102 JTR Página 9 de 41 CFGS Técnico en Energías Renovables Rígidos: son aquellos brujes que están unidos al tren de potencia mediante una brida atornillada. De esta forma, todas las cargas de las palas, así como la torsión, repercute directamente en el buje y en el tren de potencia. Esto implica que normalmente se utilice en bujes que están dinámicamente proporcionados y por lo tanto deben utilizar 3 o más palas. Este será el tipo principal que vamos a encontrar en aerogeneradores industriales. Basculantes: este tipo de Unión permite cierta dinámica en la transferencia de potencia. De esta forma se une al tren de potencia mediante mecanismos que permitan pivotar libremente a la pieza en pequeños ángulos menores a un 10% en dirección perpendicular al rotor. Este tipo de rotor se emplean en sistemas que no son estables, es decir, sistemas con una o dos palas. Aunque no se ha definido anteriormente, debemos tener en cuenta dos conceptos. El funcionamiento de un aerogenerador a barlovento y el funcionamiento de un aerogenerador sotavento. En ambos casos tendrán que ser diseñados específicamente para esta función, normalmente en la aerogeneración convencional empleamos aerogeneradores. De funcionamiento a Barlovento. Hola. A continuación, se detalla un pequeño diagrama donde se puede observar la diferencia entre el funcionamiento a Barlovento y a sotavento. SOTAVENTO BARLOVENTO GMPE FT0102 Curso 23/24 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 FT0102 COD: 06830102 JTR Página 10 de 41 CFGS Técnico en Energías Renovables 4.1.1. Palas Son los elementos que transportan la energía cinética del viento en forma de energía mecánica de rotación. Su construcción es tremendamente compleja y prácticamente artesanal. Además, requiere de una precisión milimétrica tanto en peso como perfil y rigidez para evitar desequilibrios. En la actualidad, como hemos comentado anteriormente la mayoría de los aerogeneradores son tripala. Esta elección, la de colocar cada pala 120º separadas de la siguiente, aparece como repuesta al propósito de buscar el equilibrio mecánico, evitando sobre cargas o inestabilidades como en el mono-pala o el bi-pala y además evita un sobrecoste y la ventaja de poder construir un buje más pequeño al contrario que en aerogeradores de cuatro o más palas. La aerodinámica en este elemento de aerogenerador es primordial y se basa en la aeronáutica donde las palas de los motores turbohélice, así como las propias alas de los aviones nos aportaron el conocimiento básico en este campo. Para hacernos una idea la pala de un aerogenerador se parece al funcionamiento de un ala de cualquier avión, es decir al incidir el viento en la cara externa de la pala, el extradós, se produce una diferencia de presión entre este extradós y el intradós, generándose entonces una aceleración de la velocidad del viento en el interior de la pala lo que da lugar a una GMPE FT0102 Curso 23/24 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 FT0102 COD: 06830102 JTR Página 11 de 41 CFGS Técnico en Energías Renovables fuerza de sustentación. Al contrario que en el ala de un avión, el conjunto de palas y rotor tiene un grado de libertad; pueden girar. De esta forma, la sustentación de la pala acaba resultando en una fuerza de reacción que produce la fuerza de rotación o arrastre necesaria. Como podemos ver en las dos imágenes anteriores, para que se produzca este movimiento de rotación, la pala no debe estar completamente perpendicular al viento, sino que es necesario buscar un ángulo de ataque (α) para que aparezca esta diferencia de presiones: GMPE FT0102 Curso 23/24 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 FT0102 COD: 06830102 JTR Página 12 de 41 CFGS Técnico en Energías Renovables Además, como hemos comentado, la aerodinámica tiene un papel indispensable en una pala sea eficientes y estables. Para ello, se emplean perfiles de pala normalizados que tienen distintas denominaciones. Hoy en día los más comunes son los perfiles NACA. Todos ellos provienen de la aeronáutica y responden a modelos estudiados aerodinámicamente. A continuación, se muestran algunos de esto perfiles empleados en aerogeneradores. GMPE FT0102 Curso 23/24 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 FT0102 COD: 06830102 JTR Página 13 de 41 CFGS Técnico en Energías Renovables GMPE FT0102 Curso 23/24 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 FT0102 COD: 06830102 JTR Página 14 de 41 CFGS Técnico en Energías Renovables 4.2. Góndola. También conocida como nacelle en inglés, corresponde con el habitáculo que se coloca sobre la torre del aerogenerador y en donde encontraremos instalados los diferentes mecanismos que hacen posible la conversión de energía cinética en eléctrica. De esta forma podemos encontrar: Rodamiento y/o rodamientos y eje principal. Multiplicadora. Eje de alta velocidad. Generador. Sistemas auxiliares. Sistemas de potencia. 4.2.1. Rodamiento principal. Lo primero que debemos ver es que, aunque lo consideremos un elemento principal, no siempre está presente con el mismo diseño en todos los aerogeneradores. De hecho, en alguna bibliografía aparece como apoyo del eje de potencia. Por tanto, debemos estudiar este elemento como el dispositivo o conjunto de dispositivos que nos permiten transferir el movimiento rotatorio apoyándonos en el nacelle frame. De esta forma podemos encontrar varios tipos. GMPE FT0102 Curso 23/24 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 FT0102 COD: 06830102 JTR Página 15 de 41 CFGS Técnico en Energías Renovables 1. Eje soportado por dos rodamientos separados. En este caso, el eje principal está soportado por dos rodamientos separados entre sí. Este tipo de diseño nos permite. Liberar de carga a la multiplicadora y, por tanto, nos permite además el cambio de multiplicadores sin tener que retirar el rotor. Por otra parte, la bancada, es decir, el elemento que tiene que soportar los rodamientos requiere unos altos requerimientos de diseño para poder soportar las cargas transmitidas por el eje principal o eje lento. 2. Eje soportado por un rodamiento principal y la multiplicadora. Este es el tipo más común que podemos encontrar en los aerogeneradores tipo Neg Micon o nordex. Permite desarrollar una bancada más ligera e incorporar un solo rodamiento. Por otra parte, la multiplicadora debe estar diseñada para soportar las cargas del rotor. Y por tanto dificulta la sustitución de esta, ya que es necesario bajar o todo el tren de potencia o el rotor por separado. 3. Sistema de rodamientos integrados en una multiplicadora y un eje principal. En este caso, se considera un mismo bloque tanto los dos rodamientos como el eje principal y se hallan como un conjunto dentro de una multiplicadora. Esto implica una multiplicadora de grandes dimensiones ya que el Primer rodamiento debe estar separado por medio del eje en una distancia determinada. 4. Rodamiento principal integrado dentro de la multiplicadora sin eje principal. En este caso, toda la transferencia del rotor se acopla directamente a la mecánica de la multiplicadora. Solo se incorpora un rodamiento principal al principio de la multiplicadora y a través de este se diversifica a través de los planetarios y diversos engranajes de la multi. En este caso, la caja multiplicadora es de grandes dimensiones, llegando a ocupar casi 1/3 de la góndola. Esto implica la acción de las cargas directamente sobre la multiplicadora, lo que hace que el diseño de esta debe ser mucho más complejo. Un ejemplo de esta configuración mecánica es la V 90 de GMPE FT0102 Curso 23/24 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 FT0102 COD: 06830102 JTR Página 16 de 41 CFGS Técnico en Energías Renovables Vestas. 3 MW y sus comunes averías que sufría debido a las altas cargas axiales y radiales soportadas. Fig. Diagrama superior perteneciente a una V90 3mw sin eje principal. Abajo el despiece de una V90 2MW con eje y dos rodamientos principales. 5. Eje hueco soportados sobre Sobre un rodamiento. En este caso. La estrategia consiste en realizar un equipo que va desde el buje hasta la multiplicadora y este está soportado por medio de un rodamiento acoplado a un eje concéntrico. Es una configuración poco común en el que el diseño y elección del rodamiento es complejo. GMPE FT0102 Curso 23/24 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 FT0102 COD: 06830102 JTR Página 17 de 41 CFGS Técnico en Energías Renovables 4.2.2. Multiplicadora. Se trata del dispositivo que eleva la velocidad de giro del rotor a la velocidad de acoplamiento de generador. Como sabemos en función del número de polos del generador, la velocidad de sincronismo o de acoplamiento variará. Lo habitual es encontrar máquinas de 2 o 3 pares de polos con lo que la velocidad de sincronismo suele ser 1000 o 1500 rpm. Aquí aparece un concepto básico que es la relación de transmisión. Este concepto nos da un índice que establece la magnitud de la conversión de vueltas entre la velocidad de entrada (lado del eje lento) y la de salida (lado del eje rápido). Por ejemplo, si suponemos una NM750 donde la velocidad nominal del aerogenerador para acoplar a red es de 1506 RPM en el eje rápido y de 20,82 en el eje lento podemos establecer que la relación de transmisión es de 72,33. Este parámetro en los manuales y placas de las multiplicadoras suele aparecer designado como ratio. Por otro lado, aunque es una característica propia de los generadores, se debe tener en cuenta la frecuencia de red eléctrica para elegir el multiplicador, ya que, a una frecuencia de 60 Hz, la frecuencia empleada en América, Australia o Japón, la velocidad de sincronismo aumenta hasta 1200 RPM para una máquina de 3 pares de polos y 1800 RPM para el caso de 2 pares de polos. En este caso, una multiplicadora diseñada para 50Hz no es válida para funcionar en una red de 60 Hz ya que el ratio para trabajar a 60Hz debe ser mayor como consecuencia de no poder elevar la velocidad de entrada, es decir la del eje lento. Para la conversión de la velocidad las multiplicadoras principalmente emplean engranajes helicoidales para una mayor transmisión de la carga. Por otro lado, al tener que soportar cargas discontinuas y sumar inerciales variables provocados por la propia variabilidad del viento, las multiplicadoras se unen al bastidor de la nacelle mediante sistemas de suspensión. Los sistemas más comúnmente empleados son aquellos basados en silent-blocks de caucho GMPE FT0102 Curso 23/24 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 FT0102 COD: 06830102 JTR Página 18 de 41 CFGS Técnico en Energías Renovables Suspensión con silent-blocks Si atendemos a la IEC61400, esta nos indica que pueden existir tres tipos de configuraciones de cajas multiplicadoras. 1. De etapas paralelas. Se trata del sistema más básico. Consiste en alinear ejes paralelos desde un eje de baja velocidad mediante engranajes coaxiales de distinto diámetro. GMPE FT0102 Curso 23/24 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 FT0102 COD: 06830102 JTR Página 19 de 41 CFGS Técnico en Energías Renovables El problema principal de este tipo de configuración reside en que el ancho del que debe disponer al nacelle debe ser mayor que con otros sistemas y que el ratio se verá limitado por la imposibilidad de continuar aumentando el número de ejes paralelos o constructivamente al no poder fabricar engranajes de diámetros constructivamente no viables. 2. Disposición mediante etapa planetaria y tres etapas paralelas. Esta configuración emplea un planetario, normalmente de tres planetas, que permite una conversión de velocidad mayor que mediante ejes paralelos. Finalmente, el resto de la relación de transmisión se realiza mediante un conjunto de tres ejes paralelos. De esta forma se ha aumentado la relación de transmisión, sin tener que aumentar el numero de ejes, ni la distancia entre ejes. Además, gracias a la ventaja mecánica del sistema planetario se reduce la torsión y la fricción al repartir las cargas alrededor de toda la corona, el sol y el Carrier, haciendo sufrir menos a los rodamientos y ejes que en el sistema de ejes paralelos. GMPE FT0102 Curso 23/24 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 FT0102 COD: 06830102 JTR Página 20 de 41 CFGS Técnico en Energías Renovables GMPE FT0102 Curso 23/24 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 FT0102 COD: 06830102 JTR Página 21 de 41 CFGS Técnico en Energías Renovables 3. Disposición mediante dos etapas planetarias y 2 etapas paralelas. Esta última configuración surge ante la necesidad de continuar incrementando el ratio de conversión evitar recurrir a las etapas paralelas. De esta forma se aumenta el ratio añadiendo una etapa planetaria intermedia que nos permita una velocidad de entrada mas baja que en la configuración anterior. De esta forma, a la salida del sol del primer planetario, se acopla el carrier del segundo planetario el cual aumentará la velocidad. Posteriormente a la salida del segundo planetario se aumentará la velocidad del sol mediante una etapa paralela. GMPE FT0102 Curso 23/24 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 FT0102 COD: 06830102 JTR Página 22 de 41 CFGS Técnico en Energías Renovables Por otro lado, debemos tener en cuenta una consideración. Por convenio, el sentido de giro de un generado debe ser positivo, es decir en la dirección de las agujas del reloj, de esta forma, en el caso de que se empleen multiplicadoras que contenga cuatro etapas paralelas, se debe tener en cuenta que el sentido de giro del rotor será contrario al del generador, es decir en sentido antihorario. En el caso de las máquinas con transmisión de eje impar, la velocidad del generador y del buje serán antihorarias. También debemos tener en cuenta que la multiplicadora es un sistema mecánico que debe estar correctamente lubricado. Para ello las multiplicadoras se diseñan de forma que la parte inferior de la carcasa funcione como una cuba y los propios engranajes actúen como distribuidores del fluido lubricante. De acuerdo con la norma IEC 61400 para mejorar la lubricación de estos elementos podemos recurrir a sistemas auxiliares que además filtren y enfríen el aceite. GMPE FT0102 Curso 23/24 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 FT0102 COD: 06830102 JTR Página 23 de 41 CFGS Técnico en Energías Renovables 4.2.1. Generador. Se entiende por generador la máquina eléctrica que, funcionando en un régimen de velocidad y para determinados, es capaz de inyectar corriente a la red. De esta forma principalmente debemos darnos cuenta que cualquiera que sea la máquina eléctrica que empleemos, para que esta genere, debemos acelerarla por encima de su velocidad nominal. Al aumentar su velocidad será necesario vencer el par resistente del campo magnético para que esta aceleración se produzca y se induzca la corriente de salida en los devanados. Principalmente debemos atender a la tipología de las máquinas eléctricas empleadas en los aerogeneradores. Si recodamos brevemente las clasificaciones de las máquinas eléctricas, encontraremos aquellas de corriente continua y las de corriente alterna. En el caso de C.C actualmente su uso queda limitado a aerogeneradores de autoconsumo de pequeña potencia. A nivel de generación y distribución de red se emplean máquinas de corriente alterna trifásica para generar. De aquí surge una segunda subdivisión, las máquinas asíncronas o de inducción y las máquinas síncronas. GMPE FT0102 Curso 23/24 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 FT0102 COD: 06830102 JTR Página 24 de 41 CFGS Técnico en Energías Renovables 4.2.1.1. Aerogeneradores con máquinas asíncronas. En esta sección se estudiará el tipo de máquinas asíncronas de C.A junto con el sistema de arranque o control que pueda emplearse o se emplee en aerogeneradores. 4.2.1.2. Máquina de jaula de ardilla La podemos encontrar desginada como SCIG por sus siglas en inglés (Squirrel Cage Indution Generator). Es la máquina trifásica más sencilla de implementar dado que solo tenemos alimentación en el estator. El rotor está diseñado como un núcleo de barras cortocircuitadas de materiales que presenten una alta permeabilidad magnética. Normalmente se forman estar barras por medio de pequeñas chapas de cobre o aluminio para evitar las corrientes de Foucault. El funcionamiento de esta máquina se basa en el principio de autoinducción. Al alimentar el estator por medio de tres fases desfasadas 120º se genera un campo magnético variable en cada una de las bobinas que va “girando” a través de los devanados. Al estar el rotor sometido a un campo magnético variable se produce la inducción de una corriente que circulará por las barras del rotor cortocircuitado. Esta corriente que circula por el rotor, a su vez, genera otro campo magnético de sentido contrario, el cual intentará seguir la velocidad del campo magnético variable del estator, produciéndose así la rotación del eje. GMPE FT0102 Curso 23/24 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 FT0102 COD: 06830102 JTR Página 25 de 41 CFGS Técnico en Energías Renovables Hay que darse cuenta de que el rotor nunca llega a alcanzar el sincronismo con el campo magnético del estator por lo que existe una pequeña pérdida de velocidad que llamamos deslizamiento y designamos con la letra s. Como podemos apreciar tanto en la gráfica como a través de las expresiones, si queremos trabajar en régimen de generador, se hace necesario elevar las vueltas por encima de la velocidad de sincronismo. Para que la velocidad del generador de jaula de ardilla sea mayor a la de sincronismo, el deslizamiento debe ser negativo. Principalmente, esta máquina se emplea en aerogeneradores de velocidad fija, es decir, se busca alcanzar la velocidad a la que la máquina acopla a red sin emplear sistemas de control electrónico sino por medio de la mecánica y en todo caso mediante la aerodinámica. De esta forma lo único que se controla es el arranque para evitar sobreconsumos y transitorios indeseados. Este control se realiza mediante un arranque suave (soft starter) implementado con tiristores. GMPE FT0102 Curso 23/24 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 FT0102 COD: 06830102 JTR Página 26 de 41 CFGS Técnico en Energías Renovables La estrategia es realizar el control de la tensión por cada fase mediante un par de tiristores contrapuestos. Realizando el disparo del tiristor en el momento adecuado y aumentando esta frecuencia de disparo se consigue que por cada fase se vaya aumentando el valor eficaz de la tensión en bornes del generador y por tanto, se limita la corriente por el estator del generador. GMPE FT0102 Curso 23/24 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 FT0102 COD: 06830102 JTR Página 27 de 41 CFGS Técnico en Energías Renovables Si bien esta máquina se podría prestar a introducir un convertidor de frecuencia en el estator, para así variar la velocidad de giro, no es un método ampliamente extendido dado el alto nivel de corriente que tendría que soportar el convertidor, ya que en esta máquina toda la potencia circula pro el rotor y por tanto circularía por el convertidor. Este sistema de velocidad fija, se incorporaba en las primeras máquinas de paso fijo (stall) aunque posteriormente se incorporó un sistema de paso variable (active stall). Ejemplo de este tipo de máquina sería las NM72 y NM82. A continuación, se muestra un diagrama básico del conjunto del sistema. En cuanto a los beneficios podríamos mencionar su simplicidad y su bajo coste. Por otro lado, la curva de potencia a velocidades de viento altas se ve limitada, así como la velocidad de acoplamiento. Para ello, en algunas ocasiones, se añadía un generador de potencia menor y de mayor numero de polos que el principal para reducir la velocidad mínima de acoplamiento. Así mismo este sistema permite reducir las perdidas que se generan por saturación del núcleo magnético al acelerarse la máquina a velocidades de viento altas. Para ahorrar espacio se diseñaron generadores con doble bobinado que funciona como dos generadores de distinta potencia y dos velocidades distintas dentro de la misma carcasa. GMPE FT0102 Curso 23/24 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 FT0102 COD: 06830102 JTR Página 28 de 41 CFGS Técnico en Energías Renovables En la imagen de arriba se puede comprobar la comparativa de las curvas de potencia de un aerogenerador con generador de jaula de ardilla simple y otra con doble velocidad o doble bobinado. 4.2.1.1. Máquina de rotor bobinado Se trata de una máquina de inducción como la de jaula de ardilla, pero con el rotor modificado. Si bien en la máquina de jaula de ardilla el rotor era un conjunto de barras cortocircuitadas en la máquina de rotor bobinado se implementan unos bobinados trifásicos. Si bien el funcionamiento de esta máquina también se basa en la inducción y autoinducción, en este caso podemos controlar la corriente que circula tanto como por el estator como por el rotor. La corriente circulante por los bobinados del rotor es controlable mediante la conexión de elementos en los anillos rozantes de cada bobina. Al conjunto de estos anillos rozantes se e conoce como cuerpo de anillos o slipring en inglés. La conexión entre el cuerpo de anillos se realiza mediante escobillas que rozan sobre el anillo que girará a la velocidad del rotor, lo que permite mantener una conexión rotativa. Estas pueden estar construidas mediante filamentos conductores o mediante pastillas de grafito. GMPE FT0102 Curso 23/24 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 FT0102 COD: 06830102 JTR Página 29 de 41 CFGS Técnico en Energías Renovables Al poseer conexión en el rotor y en el estator, esta máquina también se conoce como máquina doblemente alimentada o en inglés doulbe feed induction generator (DFIG) El objetivo principal de esta máquina fue al de interponer resistencia en paralelo con las fases del rotor lo que permitiera controlar y limitar el arranque y en cierta medida la velocidad. Ejemplo de un slipring de una V90 y de una nordex S46 junto con una escobilla de grafito. GMPE FT0102 Curso 23/24 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 FT0102 COD: 06830102 JTR Página 30 de 41 CFGS Técnico en Energías Renovables Actualmente, por medio de la electrónica de potencia es posible incluir un control de la frecuencia en el rotor. Al controlar la frecuencia en el rotor podemos controlar la velocidad de rotación. Para ellos se incorpora el sistema conocido como back to back. El sistema back to back consiste en un variador de frecuencia conectado a red en un extremo y al rotor en el otro. EL principio es simple, primero rectificamos la onda de red obteniendo un embarrado de C.C. Conectado a este embarrado mediante IGBT conectamos un inversor con el que generamos una onda senoidal a la frecuencia necesaria. Para limitar los consumos de arranque y acoplamiento muchas veces este sistema incorpora un arranque estrella triangulo para el devanado del estator. Esta configuración está ampliamente extendida en multitud de aerogeneradores ya que permite reducir las pérdidas a altas vueltas, es decir a altas velocidades de viento ya que se aumenta o disminuye la frecuencia para poder jugar con la velocidad de giro. Además, como se evacua cierta potencia por el estator pero también por el rotor, la potencia reactiva se compensa sin necesidad de baterías de condensadores. GMPE FT0102 Curso 23/24 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 FT0102 COD: 06830102 JTR Página 31 de 41 CFGS Técnico en Energías Renovables Esquema de un sistema Back to back de una vestas V90 A continuación, se muestra una curva de potencia de una máquina con rotor bobinadoen configuración back to back y sistema de paso variable GMPE FT0102 Curso 23/24 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 FT0102 COD: 06830102 JTR Página 32 de 41 CFGS Técnico en Energías Renovables 4.2.1.2. Máquina síncrona. Las máquinas síncronas son aquellas en las que el rotor gira a la misma velocidad que lo hace el campo magnético del estator. Las diferencias con una máquina asíncrona son varias, aunque sustancialmente podemos decir que no se basan en el principio de inducción si no que el campo magnético del estator y del rotor provienen de fuentes de alimentación independientes entre sí. Además, podemos enumerar sus características. 1. Solo existe un bobinado en el rotor. 2. La alimentación del rotor se realiza en C.C 3. Es necesario el uso de dos anillos rozantes en el rotor (positivo – negativo) 4. Es necesaria n excitatriz y/o un rectificador para alimentar el rotor. El control en este caso se centra en controlar la frecuencia en el estator a la vez que alimentamos el rotor en C.C por o tanto la configuración quedaría. GMPE FT0102 Curso 23/24 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 FT0102 COD: 06830102 JTR Página 33 de 41 CFGS Técnico en Energías Renovables Los beneficios y desventajas de emplear esta configuración son: 1. Reducción de la velocidad mínima de acoplamiento. 2. Control exhaustivo y adaptativo de la velocidad de sincronismo. 3. Control de reactiva sin necesidad de etapas de compensación. 4. Requiere de un embarrado de C.C de alta potencia. 5. Requiere control electrónico bastante complejo tanto de alterna como de la parte de continua. 6. Requiere un diseño electrónico complejo y caro que si no se lleva acabo con minuciosidad implica problemas de armónicos que reducen la calidad de la señal de salida. GMPE FT0102 Curso 23/24 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 FT0102 COD: 06830102 JTR Página 34 de 41 CFGS Técnico en Energías Renovables 4.2.2. Sistema de yaw. Principalmente se trata de una corona montada sobre un rodamiento que apoya en la torre del aerogenerador. Para el realizar el movimiento de rotación se emplean motores eléctricos acoplados a reductoras de giro obteniéndose a la salida un a velocidad de giro de bajas vueltas y alto par. Al final del eje de la reductora se acopla un piñón que engranará con a la corona. GMPE FT0102 Curso 23/24 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 FT0102 COD: 06830102 JTR Página 35 de 41 CFGS Técnico en Energías Renovables Si bien en turbinas de pequeño tamaño la fuerza del electrofreno junto con la fricción del mecanismo de la reductora ya genera una fuerza de frenado suficientes, en turbinas más grandes requieren de sistema de frenado auxiliares. Podemos clasificar estos sistemas de frenado en sistemas de dos tipos: 1. Sistemas de frenado hidráulico. 2. Sistemas de fricción. 4.2.2.1. Sistemas de frenado hidráulico. Son aquellos que emplean una distribución hidráulica para accionar una o varias pinzas de freno que actúan sobre un disco de frenado. Normalmente estos sistemas se aplican a turbinas con sistema pitch aprovechando el grupo hidráulico de la nacelle para distribuir a las pinzas de freno. Por regla general las pinzas de freno son pasivas, es decir en ausencia de presión la pinza de freno cierra mediante un resorte y frena el conjunto. Sin embargo, pueden existir sistemas activos que en ausencia de presión permanece liberado el sistema. Es un sistema que permite ejercer mucha fuerza de frenado pero que requiere mucho mantenimiento. Además, es susceptible a sufrir averías por fugas u obstrucciones y roturas en el circuito hidráulico dejando el sistema completamente inutilizado o perdiendo capacidad de frenado. GMPE FT0102 Curso 23/24 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 FT0102 COD: 06830102 JTR Página 36 de 41 CFGS Técnico en Energías Renovables 4.2.2.1. Sistemas de frenado por fricción Son sistemas que ejercen cierta fuerza de fricción que sumada a la fuerza ejercida por los electro-frenos de los motores, mantienen frenada y posicionada la nacelle. En ausencia del electro freno, la fuerza motriz de las reductoras es capaz de mover el conjunto pese a estar estos dispositivos de fricción instalados. 4.2.2.1.1. Friction brakes (Frenos de fricción) Son anillos formados por muelles alrededor del eje de uno de los piñones que se comprimen por medio de una tapa. En la cara de la tapa que comprime los muelles se coloca un disco de nylon que reduce la fricción con estos. Al girar la nacelle y por tanto el piñón al que es solidario el freno de fricción, los muelles vibran reduciendo la fuerza ejercida y permitiendo el movimiento. GMPE FT0102 Curso 23/24 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 FT0102 COD: 06830102 JTR Página 37 de 41 CFGS Técnico en Energías Renovables 4.2.2.2. Spring packets. S basa en el mismo funcionamiento que en el caso anterior, pero en este caso los resortes o muelles se colocan de forma concéntrica alrededor de la corona de giro, separadas en sectores. Para colocarlas y comprimir los muelles se colocan en un alojamiento que se conocen como spring packets. GMPE FT0102 Curso 23/24 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 FT0102 COD: 06830102 JTR Página 38 de 41 CFGS Técnico en Energías Renovables GMPE FT0102 Curso 23/24 ENA