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ENERGÍA EÓLICA TEORÍA Y CONCEPTOS CAPEV 15 - 2013 Dr. Oscar Alfredo Jaramillo Salgado Investigador Titular A INSTITUTO DE ENERGÍAS RENOVABLES DE LA UNAM.

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1 ENERGÍA EÓLICA TEORÍA Y CONCEPTOS CAPEV Dr. Oscar Alfredo Jaramillo Salgado Investigador Titular A INSTITUTO DE ENERGÍAS RENOVABLES DE LA UNAM 13 de septiembre de 2013 Temixco, Morelos, MÉXICO

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3 Diseño de aerogeneradores Topología de aerogeneradores Materiales empleados Elementos de máquinas Cargas en aerogeneradores Subsistemas y componentes Evaluación Curva de predicción de potencia Contenido de la presentación

4 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.

5 Diseño de aerogeneradores IEC La norma IEC 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.

6 Diseño de aerogeneradores Reglas para certificación Germanischer Lloyd Germanischer Lloyds 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 , 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 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.

7 Diseño de aerogeneradores 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 IEC 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.

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10 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.

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12 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.

13 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.

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16 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).

17 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.

18 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.

19 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).

20 Diseño de aerogeneradores 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.

21 Diseño de aerogeneradores 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).

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23 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).

24 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).

25 Diseño de aerogeneradores 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.

26 Diseño de aerogeneradores Factores de ráfagas especificada como una función de la duración de la ráfaga (fig. 6.14).

27 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).

28 Diseño de aerogeneradores 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.

29 Diseño de aerogeneradores 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.

30 Diseño de aerogeneradores 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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32 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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47 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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52 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.

53 Diseño de aerogeneradores Diseños anteriores con compuestos de fibra reforzada

54 Diseño de aerogeneradores La torre.

55 Diseño de aerogeneradores

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