ENERGÍA EÓLICA
TEORÍA Y CONCEPTOS
Dr. Oscar Alfredo Jaramillo Salgado
Investigador Titular “A”
INSTITUTO DE ENERGÍAS RENOVABLES DE LA UNAM
CAPEV 15 - 2013
13 de septiembre de 2013
Temixco, Morelos, MÉXICO
Diseño de aerogeneradores
Contenido de la presentación
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Topología de aerogeneradores
Materiales empleados
Elementos de máquinas
Cargas en aerogeneradores
Subsistemas y componentes
Evaluación
Curva de predicción de potencia
Diseño de aerogeneradores
Diseño de aerogeneradores: consideraciones básicas de carga
Cuando se diseñan y construyen aerogeneradores, se debe tener en cuenta la
resistencia, el comportamiento estático y dinámico de los componentes y las
propiedades de fatiga de los materiales empleados y de cómo actúan estos en todo
el conjunto.
Los aerogeneradores modernos no se construyen con muchas palas o con palas
muy anchas, esto es, las turbinas eólicas no presentan un rotor muy sólido, ya que
éste estará sometido a fuerzas muy grandes, cuando el viento sopla a una
velocidad muy alta se pueden presentar fallas mecánicas y estructurales.
Los fabricantes de aerogeneradores deben certificar sus turbinas, garantizando que
una vez cada 50 años pueden soportar vientos extremos de unos 10 minutos de
duración.
Por lo tanto, para limitar la influencia de los vientos extremos, los fabricantes de
turbinas optan por construir turbinas con pocas palas, largas y delgadas. Se utilizan
perfiles aerodinámicos que permiten un torque adecuado a velocidades
relativamente altas de 20 rpm hacer funcionar la caja de engranes y el generador.
Diseño de aerogeneradores
IEC 61400-1
La norma IEC 61400-1 Wind turbine generator systems – Part 1 Safety
Requirements identifica cuatro clases de turbinas de viento para adaptarlas a
diferentes condiciones de viento del sitio, con el aumento de número de
designación de clase correspondiente a la reducción de la velocidad del viento. Los
parámetros de la velocidad de viento para cada clase se dan en la tabla 5.1.
Un parámetro fundamental para el diseño de la turbina de viento es la intensidad
de la turbulencia, que se define como la relación entre la desviación estándar de
las fluctuaciones de velocidad media del viento.
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Reglas para certificación Germanischer Lloyd
Germanischer Lloyd’s Regulation para la certificación de sistemas de conversión de
energía de viento, comúnmente referidas como reglas GL, adopta la misma
clasificación de turbinas de viento que la IEC 61400-1, pero especifica un valor
único a la altura del buje de la intensidad de la turbulencia del 20 por ciento. Un
mayor número de casos de carga se especifican, pero muchos de ellos están en
paralelo con la IEC 61400-1. Las normas de GL también proporcionan un espectro
simplificado de fatiga para la carga aerodinámica y cargas de diseño de turbinas de
de tres palas sin control de ángulo de paso.
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Danish Standard DS 472
DS 472 basa el diseño extremo de velocidades de viento en cuatro 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 variación de la velocidad de viento con altura. La filosofía detrás de
la selección de casos de carga de diseño en el estándar danés es similar a la IEC1400 y a GL rules, Aunque el número de casos de carga es menor.
Del mismo modo, los requisitos para los sistemas de control y de seguridad son una
vez más claramente establecidos. DS 472 se distingue en que incluye un
tratamiento detallado para la obtención de espectros de carga de fatiga
simplificado para turbinas de tres palas con regulación por desprendimiento de
flujo (stall-regulated ) y un método para calcular os factores de respuesta las
ráfagas de viento de las palas y la torre.
Diseño de aerogeneradores
Diseño de aerogeneradores
Diseño de aerogeneradores
Cargas en el aerogenerador
Las causas de todas las fuerzas que actúan sobre el rotor son atribuibles a los
efectos de las fuerzas aerodinámicas, 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 aerodinámicas constantes con una velocidad de viento y fuerzas
centrífugas uniformes, son cargas independientes del tiempo y en estado de
equilibrio, siempre y cuando el rotor está funcionando a una velocidad constante.
– Un flujo de aire que es constante, pero espacialmente no uniforme sobre el área
de barrido del rotor causas cambios cíclicos de carga sobre el rotor de rotación.
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 también
causan cargas que son periódicas e inestables. Por otra parte, las fuerzas
giroscópica producidas cuando el rotor se está orientado también deben ser
incluidas.
– Además del estado de equilibrio y del cambio cíclico de las cargas, el rotor está
sometido a cargas no periódicas, estocásticas, causados por la turbulencia de
viento.
Diseño de aerogeneradores
Diseño de aerogeneradores
Para representar las cargas sobre el
rotor y las tensiones estructurales,
se utiliza un sistema coordenado
como se muestra en la figura 6.2.
Las fuerzas y momentos que actúan
sobre las palas del rotor se
resuelven
en
un
sistema
coordenado rotativo con respecto a
la sección transversal de la pala. En
la dirección de la cuerda de perfil
aerodinámico, se obtiene el
componente
"chordwise“
y
perpendicularmente a la cuerda del
perfil se tiene la componente
"flapwise“.
Diseño de aerogeneradores
Flujo de aire uniforme y estado permanente.
Los momentos de flexión de las palas del rotor en la dirección chordwise son el
resultado de la distribución de fuerza tangencial. Considerando que la distribución
de empuje es responsable para el momento de flexión de la pala en la dirección
flapwise. Debido a la torcedura de la pala del rotor, en particular, el perfil de
distribución cambia claramente con la velocidad del viento. La torsión se ha
optimizado para una velocidad de viento nominal sólo para que la distribución de
cargas aerodinámicas corresponde aproximadamente a el óptimo teórico sólo para
esta 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 distribución de las cargas aerodinámicas cambie considerablemente. Los
diagramas 6.3 y 6.4 ofrecen una impresión de la distribución de carga
aerodinámica en las palas del rotor.
Diseño de aerogeneradores
Diseño de aerogeneradores
Diseño de aerogeneradores
La Integración de las distribuciones de carga a lo largo de la pala conduce a estimar
el total de las cargas del rotor y momentos. La carga tangencial proporciona el par
de rotor, y la distribución de la carga de empuje proporciona el empuje total de
rotor (fig. 6.5).
Diseño de aerogeneradores
Existen catálogos que contienen información sobre las distribuciones de presión
sobre la pala. Son característicos de cada perfil y varían de acuerdo con el ángulo
de ataque aerodinámico (Fig. 6.6). Por otra parte, la forma de la elevación
aerodinámica y las características de arrastre, se ven afectados por el número de
Reynolds. Por lo tanto, el calculo de distribución de carga debe hacerse con cierto
cuidado.
Diseño de aerogeneradores
Viento vertical cortante y vientos cruzados
El
flujo
de
viento
produce
inestabilidad por cargas variables en
función de la revolución del rotor en
cuanto el viento golpea las palas de
manera asimétrica. Una asimetría
inevitable es causada por el aumento
en la velocidad del viento con la
altura. Durante cada revolución, las
palas del rotor son sometidas a
mayores velocidades de viento en el
sector superior de rotación y, por
tanto, están sujetos a cargas más altas
que en el sector más cerca de la tierra.
Una asimetría similar del flujo en el
rotor es causada por los inevitables
vientos cruzados que se producen con
cambios rápidos en la dirección del
viento.
Diseño de aerogeneradores
La fuerza de corte vertical y los vientos cruzados sobre el rotor conducen a un ciclo
de aumento y disminución de la distribución de la carga aerodinámica sobre las
palas del rotor. En comparación con una carga con un viento constante y simétrico,
existen considerables variaciones en la carga (Fig. 6.7).
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Interferencia de la torre
La influencia del flujo aerodinámico alrededor de la torre sobre el rotor es mínimo
cuando el rotor está montado en el tradicional posición barlovento. El rotor a
barlovento es afectado simplemente por un retardo del flujo en frente de la torre.
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Característica típica de la estela detrás de un cuerpo con una sección circular son
los vórtices alternos en ambos lados, que se producen con una frecuencia definida(
(vortices Kármán). Dependiendo del número de Reynolds del flujo, que se refiere al
diámetro del cilindro, se pueden observar tres regiones características se pueden
observar tres regiones características (Figs. 6.9 and 6.10).
Diseño de aerogeneradores
Diseño de aerogeneradores
El momento flector por la fuerza flapwise es un parámetro importante para el
dimensionamiento de la pala. La influencia de la sombra de la torre es
considerable, sobre todo teniendo en cuenta el elevado número de ciclos de carga
durante la vida de la turbina (Fig. 6.11).
Diseño de aerogeneradores
La salida de energía eléctrica de rotores a barlovento es un claro indicador de la
influencia de la interferencia de la sombra de torre. En casos extremos, se midieron
pérdidas de energía de hasta 40% por debajo de la potencia media de la salida(Fig.
6.12).
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Turbulencia de viento y ráfagas
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
más raras, debe también tenerse en
cuenta al diseñar la resistencia a la
fatiga. Además, pueden aumentar
la carga hasta el punto de fractura.
Los problemas más graves en
cuanto se refiere a la carga se
presentan por las fluctuaciones
estocásticas del viento.
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Factores de ráfagas especificada como una función de la duración de la ráfaga (fig.
6.14).
Diseño de aerogeneradores
La frecuencia de ocurrencia también puede verse en relación con la velocidad
media del viento y el factor de ráfaga (fig. 6,15).
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La figura 6.16 muestra el efecto de la turbulencia del viento sobre la influencia de la
carga dinámica específica de una turbina eólica. La flexión de las palas del rotor se
calculó inicialmente teniendo en cuenta sólo la influencia de la perturbaciones
cíclicas en el flujo causadas por la fuerza cortante, influencia de la torre y
parámetros similares, pero ignorando la turbulencia. Incluyendo el espectro de la
turbulencia, los valores de deflexión, son casi el doble.
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Cargas por gravedad e inercia
Mientras que la carga aerodinámica sólo se puede calcular con dificultad, las
cargas causadas por el peso de muertos de los componentes y por la fuerza
centrífuga y giroscópica son relativamente simples de calcular. La única dificultad
es que, al comienzo de la fase de diseño, no se conocen las masas de los
componentes. Como masa, sólo se puede calcular como consecuencia de la gama
de carga completa, incluido el peso muerto, varios “ciclos de iteración" son
inevitables Cuando la estructura se dimensiona.
Carga por gravedad
Como resultado de la gravedad la pala presenta una flexión como una variable
sinusoidal que alcanza un máximo cuando la hoja está horizontal, y que cambia
dependiendo del ángulo en la posición de la revolución en la que se encuentra.
Por lo tanto es una fuente importante de la carga de fatiga.
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Carga giroscópica
Cuando un aerogenerador gira
para posicionarse frente al viento
(yaw
sistem),
las
palas
experimentan cargas giroscópica
perpendiculares al plano de
rotación.
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Cargas centrífugas
Para una pala rígida la rotación genera las fuerzas centrífugas que se imprimen a los
largo de la pala.
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Materiales.
A juzgar por la experiencia
adquirida en la ingeniería 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 epóxicas)
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Construcción tradicional de madera
Aunque la madera tiene una tradición de siglos como un material en la
construcción de molinos de viento, su uso en la tecnología de la energía eólica
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 mecánicas a la flexión y compresión, sin embargo su vida útil no es
de muy longeva y a la larga su costo resulta elevado.
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Diseños anteriores con compuestos de fibra reforzada
Diseño de aerogeneradores
La torre.
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Sesion_6_Septiembre 13 de 2013