La Tecnología de los Aerogeneradores

La Tecnología de los Aerogeneradores
Herman Snel, ECN Wind Energy
Contenido
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2
Sistemas básicos a nivel conceptual
Control de potencia
Sistemas eléctricos
Tren de potencia
Sistemas básicos a nivel conceptual
Concepto a seleccionar
1. El rotor. Extrae energía cinética del
viento y la convierte en energía mecánica
en el eje principal (Ωrot Qaero); se utiliza
para control de energía mecánica
2. El tren de potencia y su apoyo.
Transfiere la energía mecánica al
generador. Tipo y apoyo
3. El sistema eléctrico. Generador +
conexión a la red. Se utiliza en el control
de velocidad (Ω). Potencia = (Ωel Qel);
4. El Sistema de alineación
5. Torre y fundación
6. Sistema de Control de potencia y de
velocidad. Interfiere en 1. y 3. Uso
adicional para aliviar cargas
3
Paso fijo, pitch hacia
posición de bandera,
pitch hacia stall
Caja multiplicadora o
DD. Tipo de apoyo sobre
el chasis
Velocidad constante, slip
variable, velocidad
variable, en que medida
Pitch colectivo o
individual
Ejemplo de los sistemas (GE 2.5)
Rotor
Tren de
potencia
mecánica
GE 2.5
Sistema de
refrigeración,
auxiliar
Sistema de
alineación
Torre
4
chasis
Sistema eléctrico
Otro ejemplo sistemas (Vestas V90)
5
REpower 5M
Converter
Gearbox
Onboard-Crane
Rotor Bearings
M
Transformer
6
Generator
Yaw System
Objetivos de la selección de conceptos
Objetivos básico:
Minimizar el costo de generación ($/kWh) y maximizar el ingreso por kWh, en
un régimen dado de la velocidad del viento (Promedio anual, distribución de
frecuencia).
Aspectos que intervienen:
• Producción anual de energía, curva de potencia
(ingresos)
• Cargas mecánicas sobre los diferentes elementos, convertidor
(costo de inversión)
• Confiabilidad
(disponibilidad)
• Fácil en mantenimiento
(costo de
mantenimiento)
• Amigable la red (grid compliance), calidad de energía (ingresos)
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EL ROTOR
• Aspectos de control (limitación) de potencia
• Curva de potencia
• aspectos de estabilidad aéro-elástica
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Limitacíon de potencia
Potencia es proporcional con velocidad al cubo:
P=C
1
p 2
ρV AR
3
w
Cp < 0.59
El coeficiente de potencia Cp es adimensional y para un rotor dado,
depende de otros parámetros adimensionales, principalmente:
Vtip ΩR
=
,
λ=
Vw Vw
θ tip y Ψyaw
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λ:
relación de velocidades, tip speed ratio
θtip:
ángulo de paso en el extremo del aspa
Ψ yaw:
ángulo de desorentiación
Limitación de potencia -2Velocidades altas son relativamente infrecuentes.
Dimensionar la turbina para la potencia (torque) y la fuerza axial
relacionada no sería economicamente ideal.
Luego:
se limita la potencia a un valor (potencia nominal). De análisis
económico resulta que esta potencia normalmente es la potencia que
se puede generar a una velocidad (Vnominal) entre 1.15 y 1.5 de la
velocidad promedio anual (dependiendo de muchos factores)
Para limitar la potencia, se debe disminuir el valor de Cp, ya sea
por λ, por θtip, o por Ψyaw
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El rotor y control de potencia mecánica
Para entender las opciones de control de potencia es importante
entender el mecanismo de extracción de energía
AR
Disco del rotor
U1 = Vw
Ud
A1
Secciones 1
11
Limite de tubo de corriente
Fax
A4
Volumen de Control
2
3
4
U4
Características del flujo en una sección del aspa
sustentación, L
Moment, M
Sustentación: componente de la fuerza normal a la
dirección de la velocidad efectiva
Arrastre:
componente de la fuerza en la
dirección de la velocidad efectiva
Momento:
con respecto a la posición c/4
Coeficientes adimensionales :
arrastre, D
α
Veff
Cuerda, c
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cl =
L [ N / m]
1 ρV 2 c
2
eff
cd =
D [ N / m]
1 ρV 2 c
2
eff
cm =
M [ Nm / m]
1 ρV 2 c 2
2
eff
Carácter de los coeficientes aerodinámicos
Los coeficientes
adimensionales
dependen de:
Re, Ma, ángulo de
ataque α entre la
dirección del flujo
libre y la cuerda.
Resultados típicos
(Abbot and von
Doenhoff)
α
13
Cl
Flujo adherido y flujo separado (stall)
14
Sustentación alta,
Sustentación y
arrastre bajo
arrastre alto
Fuerza axial, fuerza in-plane y torque
L, sustentación, perpendicalura a Veff
D
Plano de rotación
Ωr
ángulo de ataque α
dFax
ut,d
Veff
Vw
ui
= 1 2 ρVeff2 Bc (cl cos Φ + cd sin Φ )dr
dFin − plane = 1 2 ρVeff2 Bc (cl sin Φ − cd cos Φ )dr
dQ
15
= rdFin − plane
Ángulo de entrada Φ
Control por Stall vs pitch
Control por stall pasivo:
mayor velocidad de viento resulta en mayor
ángulo de ataque: resulta desprendimiento: Cd
mayor, Q constante
Control por stall activo:
aspa gira en dirección de mayor ángulo de
ataque, Q constante
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Velocidad constante
Control por stall por velocidad rotacional: se
ajusta la velocidad rotacional (normalmente baja
ligeramente con mayor velocidad) para llegar a
stall y mantener Q*W constante (sistema de
control)
Velocidad variable
Control por pitch ‘normal’ (hacia pos. bandera):
Aspa gira en dirección de menor ángulo de
ataque, Cl y Cd menor
Velocidad variable o
constante
Control por Stall vs pitch -2Control por stall:
Mayor fuerza axial promedio,
menores fluctuaciones
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No hay necesidad de cojinetes
(desventaja: no hay freno
aerodinámico)
Stall pasivo:
difícil de diseño aerodinámico, con
control por pitch o velocidad más
controlable
En control por velocidad, no hay
necesidad de cojinetes
Control por pitch hacia bandera:
Menor fuerza axial promedio,
mayores fluctuaciones
Control más
Control por pitch hacia bandera:
Menor fuerza axial promedio,
mayores fluctuaciones
Control más fino
Curvas de potencia que resultan
Stall pasivo
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Pitch hacia bandera, pero también
posible en stall activo o por velocidad
Stall vs pitch a bandera, aspectos de estabilidad
Es más difícil garantizar la estabilidad aéro-elástica para ángulos de
ataque grandes, en la regíon de desprendimiento.
Movimiento del aspa hacia
atrás resulta en un menor
ángulo de ataque.
Para pequeños ángulos de
ataque, disminuye la fuerza
axial, cambio en dirección
opuesta al movimiento: estable
En flujo desprendido: mayor
fuerza, inestable
(El comportamiento dinámico
ayuda)
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El sistema eléctrico:
velocidad constante vs velocidad variable
•
•
•
•
20
Aspectos de robustez
Aspectos de producción de energía
Aspectos de fluctuaciones de torque y de potencia
Aspectos de efectos sobre la red
Dinámica del tren de potencia en función del sistema
eléctrico
Modelo básico del tren de potencia:
dΩ
I tot
= Qr − Qel ;
dt
I tot = I rotor + I gb + I gen
dΩ
Qgb = Qr − I R
dt
Qr, Ir
Qgb
gen, Qel
El torque en el rotor fluctua por fluctuaciones del viento (turbulencia)
La inercia del rotor Ir es alrededor del 90% del total
Luego, si se permita velocidad variable se baja por mucho las
fluctuaciones del torque en el tren de potencia.
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Tipo de generadores y conexión a la red -1Generador síncrono conectado directamente a la red:
Velocidad absolutamente constante. Potencia es proporcional al
‘load angle’ ε, actúa sobre el tren de potencia como un resorte
muy tieso. Grandes fluctuaciones en el torque del tren de
potencia, en la caja y en la potencia eléctrica, causados por
turbulencia.
Qel = K.ε
Generador asíncrono conectado directamente a la red:
Velocidad varia por ‘slip’, deslizamento s, alrededor de 0.5 a 1 %
dQel Qnom
=
dΩ
sΩ s
Generador actúa como un amortiguador, amortigua
fluctuaciones, pero por el slip pequeño las fluctuaciones de
carga y de potencia son todavía muy altas
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Ya no se
usa
El sistema
común para
stall pasivo.
Muy robusto
y económico
Tipo de generadores y conexión a la red -2Generador asíncrono directamente conectado, con
deslizamiento variable:
Con un deslizamiento de aproximadamente 10%, suficiente
variación de la velocidad para que las fluctuaciones en el
torque y en la potencia eléctrico se disminuyen en un 80%.
Actúa como en el anterior caso como un amortiguador
Suzlon y Vestas
en algunas
turbinas
(optislip) junto
con pitch a
bandera
Generador asíncrono conectado con rotor desvanado
(DFIG) directamente a la red:
Tomando 30% de la potencia del rotor se necesita un
convertidor para este 30% de potencia. Se extrae con anillos
deslizantes, que necesitan de monitoreo y mantenimiento.
Relativamente económico. Variación de la velocidad (30%)
más que suficiente para una buena calidad de potencia.
Convertidor con IGBT’s.
Utilizado por
muchos
fabricantes,junto
con pitch a
bandera
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Tipo de generadores y conexión a la red -3Generador asíncrono o síncrono con convertidor
completo.
Variación de velocidad suficientemente grande para operar
a λ opt para todas velocidades menores a la nominal.
Este sistema, con convertidor (back to back) basado en
IGBT’s es el más amigable a la red, no crea harmónicas y
puede compensar dinámicamente la corriente reactiva sin
necesidad de bancos de capacitancias.
El sistema más caro. Necesita de un control activo para
amortiguar las fluctuaciones de torque en el tren de
potencia, porque no tiene amortiguación pasiva
24
Enercon, GE en
algunas
turbinas,
Lagerwey
Diagramas de conexion a la red
Velocidad casi constante
Velocidad variable
Enercon.
EWT, Harakosan
con generador de
inducción y
imanes permantes
Sistemas existentes, pero ya no en desarrollo
Vestas, Gamesa
Siemens, GE
Vestas, Suzlon
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Control dinámico del
delizamiento, con
resistencia variable,
permita variación de 10
a 20 % de velocidad
Resumen de características -11. Velocidad constante:
generador asíncrono
directamente conectado a la
red
2. Velocidad variable en un 10
hasta 20% en la región de
potencia nominal: generador
asíncrono con deslizamiento
variable
3. Velocidad variable hasta 60%
con convertidor parcial, DFIG
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1. Se utiliza solamente en combinación con control por
stall pasivo o activo. Como sistema muy robusto y
económico, pero de producción menor, posibles
dificultades de diseño (estabilidad). No se adjuste a
los códigos de red más modernos. En el caso de stall
pasivo falta el freno aerodinámico
2. Se utiliza en combinación con pitch a vano. Es
relativamente robusto aunque el control del
deslizamiento (resistencia en el rotor) se efectúa a
través de un anillo de deslizamiento. Necesita de
bancos de capacitancias para compensar corriente
reactivo. Con respecto a la curva de potencia, no
puede operar a λ = λdis, entonces producción
ligeramente menor. Calidad de potencia en condición
nominal es buena.
3. Sistema de mucha aplicación en el momento. Más
económico que un convertidor completo.
Razonamblemente amigable a la red. Producción
razonable, pero para bajas velocidades λ > λdis.
Resumen de características -24. Velocidad variable con
convertidor de la potencia total.
Generador síncrono o
asíncrono, posiblemente con
imanes permanentes, para
poder frenar eléctricamente si
se va la red, y no necesitar la
activación de la red
27
1. Se puede utilizar en combinación con control por stall
(Jeumont), pero más frecuentemente en combinación
con pitch a vano. El sistema más amigable a la red
(grid compliance), pera mas caro. No necesita de
bancos de capacitancias. Curva de potencia óptima,
pero mayores perdidas por convertidor. Usualmente el
convertidor usa IGBT’s tanto al lado del generador
(AC-DC) como al lado de la red (DC-AC) y puede
mandar el cosΦ de acuerda a las necesidades de la
red. Puede tener la mejor capacidad en ‘fault ride
through’ de todos los sistemas. Enercon, GE,
Lagerwey.
El tren de potencia
• Caja multiplicadora o ‘Direct Drive’
• Apoyo del eje principal en el caso de una caja multiplicadora
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Caja multiplicadora vs DD
Caja multiplicadora es
tecnología estándar, y más
liviano que DD.
Direct Drive resulta en un
generador múltipolo, grande
pesado y caro.
Se consiguen de gran eficiencia,
98% en operación nominal
Más robusto, por tener menos
partes que pueden fallar
Necesita de bombas hidráulicas
para lubricación y mantenimiento
Para la eficiencia, la abertura
entre estator y rotor es crucial.
Para generadores multi MW cada
más dificul mantener la abertura
pequeña. O más perdidas o más
rigidez = material
Tiene historial de fallas
Falta experiencia suficiente para hacer una selección clara entre los 2
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Apoyo del tren de potencia con caja
1. Apoyar el eje principal en un
cojinete en frente e integrar el
segundo con el de la caja.
2. Dos cojinetos seperados en
frente de la caja (Repower,
Siemens)
3. Absorber todos las cargas de
flexión y gravitación en una
estructura estacionaria, y
solamente el torque por el eje.
Integrar rodamientos
30
1. Compacto y liviano, pero se
introducen mayores momentos
de flexión el la caja. Vestas
V80
2. Modular, mayor peso, pero
menos momentos de flexión a
la caja
3. Más material, pero descarga la
caja. Vestas V90, GE 2.5
Ejemplos conceptuales
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