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Instituto de Investigaciones Eléctricas Gerencia de Energías No Convencionales Taller de Introducción a la Tecnología de Aerogeneradores Módulo 4: Tecnología de aerogeneradores Marco Borja (Julio de 2007) Aerogenerador para interconexión a red Concepto danés, tres aspas, eje horizontal Desarrollo de aerogeneradores para interconexión a red Componentes básicos de un aerogenerador Aspas Transmisión Generador Cubo Freno de disco Tolva protectora Motor de orientación Torre Chasis principal Flecha principal Rotor aerodinámico Juego de aspas Cubo Nariz Rotor aerodinámico Principio funcional de un rotor Variables que influyen en el comportamiento de rotores de aerogeneradores de eje horizontal Flujo en el aspa PROPIEDADES DEL PERFIL Coeficiente de levantamiento: CL Genera una fuerza en la dirección del giro del rotor y proporciona trabajo útil. Coeficiente de arrastre: CD Genera una fuerza en la dirección opuesta al giro del rotor que se opone al movimiento dL = C L ρ (vrel ) cdr 1 2 2 dD = C D ρ (vrel ) cdr 1 2 2 dFu = dLsenφ − dD cos φ φ =θ +α Φ= ángulo de entrada de flujo (velocidad relativa con plano de rotación) θ = ángulo de paso (cuerda de la sección de aspa con plano de rotación) α = ángulo de ataque (cuerda de la sección de aspa con la velocidad relativa) dτ = rl dF Donde: dt = Contribución de torque en la flecha del rotor rl = radio local Para lograr eficiencia relativamente alta es importante usar un perfil aerodinámico con alto levantamiento (sustentación) y bajo arrastre. La fuerza de levantamiento y la fuerza de arrastre no sólo tienen componentes en el plano del rotor, sino también en el sentido perpendicular Al plano del rotor (fuerza axial, “empuje”), es decir: dDax = dL cos φ + dDsenφ C Dax Dax = 1 2 = 4a(1 − a ) 2 ρv Ar CDax = Coeficiente de empuje axial a = Factor de inducción axial Coeficiente de potencia de un rotor (Cp) Potencia extraída (concentrada en la flecha), entre potencia disponible (recurso eólico) Pe C p (v ) = 1 3 Av ρ 2 C p = 4a (1 − a ) 2 d dt 1 a= 3 (C p ) = 0 Cpmax = 0.5926 Coeficiente de Betz Para un valor dado de velocidad del viento, un rotor aerodinámico sólo puede extraer el 59.26% de la potencia eólica disponible En realidad, el Cpmax teórico es menor ya que en sus cálculos Betz despreció algunos factores (cerca de 55%). En la práctica, los valores máximos de Cp están entre 45 y 50%. Potencia disponible y aprovechable AG48m (Cpmax = 45%) 18,000 16,000 14,000 Potencia kW 12,000 10,000 8,000 6,000 4,000 2,000 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Velocidad del viento (m/s) Concepto de solidez de un rotor σ= Aprox. λ2 4a (1 − a ) 2 (vrel ) Cd Cl (α ) cos φ (1 + Cl tan φ ) 2 v La solidez del rotor influye sobre el factor de inducción axial y, por lo tanto, sobre el coeficiente de potencia Relación de velocidad de punta de aspa ΩR λ= Vcr Ω = velocidad angular del rotor R = radio del rotor V = velocidad del viento en el centro del rotor (no perturbada) 2 (vrel ) λ ≅ 2 (Vcr ) 2 Para lograr una buena eficiencia se requiere que el factor de inducción axial sea cercano a 1/3 sobre toda el área del rotor. Un buen diseño de rotor aerodinámico se puede lograr con: 1.- λ alto y σ bajo 2.- λ bajo y σ alto 3.- Valores intermedios para ambos El caso 1 es un rotor “rápido” con pocas aspas (dos o tres) , de forma esbelta (dos o tres). Este es el diseño que típicamente se usa para aerogeneradores, porque: a) Para una potencia dada, el par en el eje es relativamente pequeño de manera que el tren de transmisión mecánica puede ser más “liviano”. b) La relación de velocidades en la caja de engranes necesaria para alcanzar la velocidad nominal de generadores eléctricos “convencionales” será menor. El caso 2 corresponde a un rotor lento, multipala. Produce torque alto y típicamente se usa para bombeo de agua con bombas de desplazamiento positivo. La opción 1 tiene todas las ventajas para generación de electricidad; Sin embargo, hay dos factores que la limitan: a) Si la velocidad en el extremo del aspa es mayor que 1/3 de la velocidad del sonido (cerca de 110 m/s), se puede esperar un aumento exagerado de ruido (proporcional con ΩR5) b) Las pérdidas por arrastre se vuelven más importantes con el aumento de λ, lo que limita su valor entre 8.5 o 9 para rotores de dos aspas. Porcentaje de aportación de potencia Concepto de torcimiento en el aspa Θ e = Θ a + Θ t (r ) Concepto de conicidad en el aspa Aspa de un aerogenerador moderno Cubo del rotor Ensamble nariz-cubo en un rotor aerodinámico Para una geometría de rotor, existe un valor de velocidad de viento a la cual se logra el Cp máximo (velocidad de diseño). Para esta velocidad, la eficiencia será máxima y, por lo tanto, un factor que se toma muy en cuenta para la selección del valor de la velocidad de diseño es la contribución de energía disponible de las velocidades de viento, de acuerdo con el régimen de viento típico para la aplicación de la máquina. Esto se toma como punto de partida para maximizar la conversión de la energía eólica disponible. Sin embargo, si la velocidad angular del rotor se mantiene “constante” (muy cerca de un valor determinado) y, además, el ángulo de ataque no se modifica el Cp disminuirá rápidamente, por lo que no se obtiene una buena eficiencia global. Esta es una de muchas razones que dieron origen a las máquinas de Velocidad Variable. Coeficiente de potencia 0.5 0.45 0.4 0.35 (%) 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Velocidad del viento (m /s) 18 20 22 24 26 28 Potencia disponible y regulada 9,000 8,000 7,000 Potencia (kW) 6,000 Potencia disponible 5,000 4,000 3,000 Potencia regulada 2,000 Duración de velocidades 1,000 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Velocidad del viento (m/s) 18 20 22 24 26 Curva de potencia AG 850 Kw 900 800 Potencia (Kw) 700 Vsupervivencia 600 500 Vinicio Vnominal Vsalida (70) 400 300 200 100 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 V elo cid ad d el vient o ( m/ s) 20 22 24 26 28 30 Regulación de potencia y velocidad ‰ Regulación por pérdida aerodinámica. (Aspas con montaje fijo al cubo, ) ‰ Regulación por cambio del ángulo de paso. (Aspas móviles desde su raíz). Rotores de aspas fijas Regulación por desprendimiento de flujo sobre un perfil aerodinámico (Stall) Control de ángulo de paso Control de ángulo de paso Actualmente varios modelos de aerogeneradores cuentan con motores eléctricos de actuación independiente para modificar el ángulo de paso (o de ataque) de las aspas. Góndola del Aerogenerador Tren de potencia Generador eléctrico Subsistema de orientación Subsistema de regulación de potencia Subsistema de seguridad Chasis principal Góndola ensamblada en torre Ensamble en el chasis de tren motriz generador eléctrico y caja de engranes Generadores eléctricos utilizados Síncronos: Multipolo Imanes permanentes Asíncronos: Tipo jaula de ardilla Polos conmutables Tipo rotor devanado Generadores asíncronos Relación entre el par y la velocidad angular de generadores asíncronos El deslizamiento requerido para alcanzar la velocidad nominal (potencia nomina) de un aerogenerador de inducción es muy pequeño. Esto corresponde a un cambio en la velocidad angular del rotor aerodinámico cercano a ½ revolución por minuto. Por lo que los aerogeneradores que usaban este tipo de generadores eléctricos se conocen como generadores de Velocidad Constante. Tienen muchas desventajas, entre ellas: a) Baja eficiencia (ya que no permiten optimizar el Cp). b) Rigidez, lo que implica muchas cargas dinámicas en rotor y en el tren de potencia a) Fluctuaciones en la potencia eléctrica de salida b) Variaciones de voltaje (flicker) Configuración típica del tren de potencia en un aerogenerador con caja de engranes Conexión de un aerogenerador de velocidad constante, con generador asíncrono tipo jaula de ardilla Fuente: J.G. Slootweg* et al. Simulation of Electrical Power Systems with a High Wind Energy Penetration; * Electrical Power Systems Laboratory. Delf University of Technology. The Neatherlands El concepto de Velocidad Variable, elimina muchos problemas y mejora la eficiencia global. Por inicio, algunos diseñadores usaron dos generadores eléctricos, uno para baja velocidades y otro para altas. Esto resultó en mejoras muy limitadas. También usaron (y algunos aún usan) generadores eléctricos de polos conmutables. Esto implementa sistemas de velocidad constante por etapas. Las mejoras también fueron limitadas. El concepto de velocidad variable se implementó de tres formas: a) Generadores multipolo de baja velocidad b) Generadores de imanes permanentes c) Generadores de rotor devanado Generador síncrono de baja velocidad Rotor Estator Conexión de aerogeneradores de velocidad variable. Con generador asíncrono tipo rotor devanado Con generador síncrono tipo polos salientes Fuente: J.G. Slootweg* et al. Simulation of Electrical Power Systems with a High Wind Energy Penetration; •Electrical Power Systems Laboratory. Delf University of Technology. The Neatherlands Sistema de velocidad variable con acondicionamiento CA-CD-CA Aspecto típico comparativo Con caja de engranes Sin caja de engranes Generador eléctrico Aspectos de interacción con la red Aspecto • Armónicas Variaciones en voltaje (Flicker) Aerogenerador de velocidad constante Aerogenerador de velocidad variable No es problema, porque no incluye electrónica de potencia que es la principal fuente de armónicas Normalmente no es un problema debido a la alta frecuencia de conmutación de la EP. Puede ser un problema debido a fluctuaciones de potencia, especialmente en redes débiles Normalmente no es un problema debido a los efectos de amortiguamiento de la masa en rotación Contribución a corriente de falla Puede ser un problema ya que el Normalmente no es un generador está acoplado problema ya que el convertidor directamente electrónico es más rápido de la protección Voltaje de estado estable / Potencia reactiva Puede ser un problema porque el control de la PR / V es imposible sin medidas adicionales Puede ser un problema a factor de potencia unitario, sin embargo tiene capacidad de control de V. Comparación de aerogeneradores de velocidad variable Aspecto Rotor devanado Polos salientes • Electrónica de Potencia Su capacidad puede ser de 1/3 o aún menor que la capacidad nominal del generador eléctrico. Caja de engranes Se requiere. Debe ser igual o mayor que la capacidad nominal del Generador. No se requiere, pero el costo del generador eléctrico es considerablemente mayor que el de rotor devanado Velocidad constante y velocidad variable Ejemplo de curvas potencia 500 kW nom. 700 Velocidad variable 600 Potencia (kW) 500 Velocidad constante 400 300 200 100 Vi 0 0 Vn 5 10 Vss Vs 15 20 Velocidad de l vie nto m/s 25 30 Servomecanismo para Orientación Zapata de fijación Freno del disco en las flechas de alta y baja velocidad P = Ω ⋅Τ Τ= F ⋅d Frenos del disco Flecha de alta velocidad Flecha de baja velocidad Tipo de tableros de control usados en aerogeneradores Elementos de protección contra rayos Cumplimiento de códigos de Red • Rampas de entrada y salida • Variaciones de potencia • Variaciones de voltaje • Variaciones de frecuencia • Factor de potencia • Regulación primaria • Regulación secundaria • Tolerancia a fallas • Operación en isla Controversias y diferencias a nivel internacional ¿Necesario? ¿Posible? ¿Económicamente viable? Torre tubular del aerogenerador Diseño de aerogeneradores (Eje horizontal) Normas IEC: 61400-1 Ed. 3 (2007): Design requirements 61400-11 (2003): Acoustic noise measurement techniques 61400-12 (2005): Power performance measurement techniques 61400-13 (2001): Measurement of mechanical loads 61400-14 (2005): Declaration of apparent sound power level and tonality values 61400-21 (2001): Measurement and assesment of power quality 61400-23 (2001): Full-scale structural testing of rotor blades 61400-24 (2002): Lightning protection 61400-25 (2006): Communicatios for monitoring and control 1: Overall description of principles and models 2: Information exchange models 3: Conformance testing ISO 81400-4 (2005): Design and specification of gearboxes Normas IEC: 61400-1: Design requirements Requiere el uso de un modelo de dinámica estructural para predecir las cargas de diseño. Clasificación de aerogeneradores por tipos de régimen de viento de aplicación (IEC-1400-1) Parámetros Clase I Clase II Clase III Clase IV V ref (m/s) 50 42.5 37.5 30 V anual (m/s) 10 8.5 7.5 6 0.17 0.17 0.17 0.17 σv/V A: Turbulencia característica = 0.18 (15 m/s) B: Turbulencia característica = 0.16 (15 m/s) Vref = Velocidad estacionaria máxima con periodo de retorno de 50 años Ve50 = Velocidad máxima en tres segundos con período de retorno de 50 años (Ve50 = 1.4*Vref) Modelos (turbulencia, perfil) Datos de viento Simulador de Cargas Otros parámetros (Riso, ECN, Germanisher Lloyd, Garrad Hassan) == I+D Resultados