Décimo Quinto Encuentro Regional Ibero
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Décimo Quinto Encuentro Regional Ibero-americano del CIGRÉ Foz de Iguazú-PR, Brasil 19 al 23 de mayo de 2013 AVANCES EN LAS CARACTERÍSTICAS ELECTROMECÁNICAS DE LOS GRANDES GENERADORES EÓLICOS Mario S. F. Brugnoni Grupo Energía y Ambiente (GEA), Departamento de Electrotecnia Facultad de Ingeniería, Universidad de Buenos Aires Tel/Fax (54 11) 4343-0891/3503 - email: [email protected] RESÚMEN: La necesidad de contar con equipos con mayor potencia unitaria, para convertir a la generación eólica en una parte importante de la matriz energética, a nivel mundial, ha llevado a promover enormes adelantos tecnológicos en los últimos años. Así, es posible observar, entre los fabricantes líderes, equipos que superan los 6 MW, existiendo diseño de prototipos de 10 MW y proyectos que apuntan a los 15 MW. Esto ha convertido a la energía eólica en una de las más avanzadas disciplinas científicas para la investigación, el desarrollo y la educación. En este trabajo se hará una descripción de las principales tecnologías utilizadas, mostrando ventajas e inconvenientes en su aplicación a los más modernos equipos desarrollados, algunos de los cuales ya están instalados en nuestro país. PALABRAS-CLAVE: energía eólica; molinos; conversores eólicos; turbinas eólicas. 1. INTRODUCCIÓN, TIPOS CONSTRUCTIVOS DE TURBINAS EÓLICAS La conocida expresión P = ½ Cp V3 A δ permite calcular la potencia que desarrolla una turbina eólica. Se observa que tanto la velocidad del viento (V) como la densidad del aire (δ) no pueden ser controladas, sólo es posible modificar el área barrida por la palas A = π R2, modificando la longitud de las mismas o actuando sobre el diseño con la finalidad de cambiar el rendimiento aerodinámico. Para mejorar este último se ha recurrido a diferentes estrategias que han modificado en forma visible el aspecto de los molinos. Se describirán en forma breve algunos de estos desarrollos instrumentados al día de hoy. Para ello se toman como referencia las curvas que se muestran en la Fig, 1. T u r b in a id e a l A e r o t u r b in a c o n v e n c io n a l d e e je h o r i z o n t a l D a r r ie u s M u lt ip a l a S a v o n iu s V e lo c id a d e s p e c í f ic a λ Fig. 1 - Rendimiento aerodinámico Cp para diferentes tipos constructivos de turbinas eólicas. 1/8 Décimo Quinto Encuentro Regional Ibero-americano del CIGRÉ Foz de Iguazú-PR, Brasil 19 al 23 de mayo de 2013 En la figura se puede apreciar que para las bajas velocidades de viento, las turbinas cuyo rendimiento más se aproxima a la turbina ideal son la multipala americana o los diseños tipo Savonius. Las primeras, de eje horizontal, se las puede ver con enorme difusión en los campos de la pampa húmeda Argentina, donde son utilizadas para el bombeo de agua. A las segundas, con eje vertical, las encontramos utilizadas, por ejemplo, como elemento de extracción de aire en grandes galpones industriales. Ambas se construyen en diseños de pequeñas potencias, resultando poco aptas para su acoplamiento con un generador eléctrico. Para velocidades algo mayores se destaca el generador “Darrieus”, de eje vertical, que tuvo algún desarrollo a fines del siglo pasado cuando se instalaron equipos para generación eoloeléctrica que superaron 1 MW, figura 2. Estas turbinas no necesitan mecanismo de orientación, Por ello se los llamó panémonas (todos los vientos), pero su principal virtud consiste en que todo el equipamiento de generación y control, se situa sobre terreno firme. Sus principales inconvenientes radican en su carecencia de par de arranque, en la variación cíclica del par, y en la captura de la energía del viento en capas muy próximas al terreno de montaje, muy afectadas por su rugosidad. Fueron Alemania y Canadá los principales paises que impulsaron su fabricación, pero con el avance de las tecnologías, estos equipos dejaron de ser competitivos. Fig. 2 Aerogenerador Darrieus de eje vertical En el lugar más destacado del gráfico vemos la curva de rendimiento aerodinámico que corresponde a la turbina tripala de eje horizontal, también conocida como turbina de diseño danés. Es esta, sin lugar a dudas la que ha alcanzado el mayor desarrollo y son miles de estos equipos los que pueblan los distintos paisajes ventosos de todo el mundo. Con características similares (no representadas en el gráfico) se han construido equipos monopala y bipala, fig 3 y 4. En ellos se buscaba disminuir la interferencia de “la pala anterior” en su recorrido circular y con ello era posible lograr una mayor velocidad de giro. Obviamente la de mejor comportamiento, en este aspecto, resultó la versión monopala. Los problemas de equilibrado dinámico que se sucedieron, llevaron a descartar este diseño frente al muy buen comportamiento de los equipos tripala. El bipala, en cambio, mostró desarrollos de gran potencia entre los que merecen mencionarse los instalados en EEUU desde 1975 a 1980 bajo un programa del Department of Energy, DOE junto con la NASA, cuyo mayor exponente fue el MOD 5B de 3,2 MW, que se observa en la figura 4(Izq). Estas estructuras necesitan un mecanismo del tipo balancín que permita compensar los esfuerzos de las palas sobre el cubo, cuyo efecto más notable se produce cuando una pala se mueve tras la sombra de la torre y la otra, en lo más alto, capturando la máxima energía del viento. También en Alemania se incursionó en esta tecnología instalando el aerogenerador Growian de 3 MW, figura 4(Der) 2/8 Décimo Quinto Encuentro Regional Ibero-americano del CIGRÉ Foz de Iguazú-PR, Brasil 19 al 23 de mayo de 2013 Fig. 3 (Izq) MOD 5B de 3,2 MW y 100 de diámetro; (Der) Growian de 3MW 2. Fig. 4 turbina eòlica monopala LOS AVANCES EN INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO Los perfiles de las palas que se utilizaban en los primeros equipos tenían las características de la serie NACA utilizada en las construcciones de aeronaves. En la actualidad el diseño se realiza con métodos numéricos y su verificación incluye el uso de túneles de viento para ensayos en escala. Sumado al diseño del perfil se fue dotando a las mismas de un mecanismo hidráulico o eléctrico para modificar el ángulo de ataque respecto al viento (Pitch control) con ello fué posible modificar el rendimento aerodinámico de tal forma de lograr el mayor crecimiento de la potencia, con el aumento de la velocidad del viento y su posterior control cuando esta tome su valor nominal. En la figura 5 se observa la forma en la que la variación del Cp afecta a la potencia que desarrolla el rotor de la turbina. El valor máximo de Cp denominado también coeficiente de potencia está dado por el límite de Betz, Cpmax=0,593. Fig. 5 Potencia y rendimento aerodinámico en función de la velocidad del viento a la altura del eje Los primeros desarrollos comerciales de los molinos contaban con generadores asincrónicos con jaula de ardilla aprovechando la robustez y difusión de esta máquina en su utilización como motor trifásico. Así, los primeros equipos de potencia instalados en la Argentina, marca Micon, de procedencia Dinamarquesa utilizaban esta tecnología. 3/8 Décimo Quinto Encuentro Regional Ibero-americano del CIGRÉ Foz de Iguazú-PR, Brasil 19 al 23 de mayo de 2013 La característica de estas máquinas asincrónicas impone una velocidad dependiente de la frecuencia de la red y con muy poca diferencia entre las condiciones de vacío y plena carga. Esta característica de fuerte rigidez se pone de manifiesto frente a la variabilidad de la velocidad del viento provocando fuertes variaciones en la potencia entregada a la red y bruscos impactos sobre todo el sistema de transmisión mecánica. A estos quipos se los denominó “turbinas de velocidad fija” La solución a estos problemas llegó junto con el avance en los desarrollos de la electrónica de potencia, lo que dió lugar a acoplamientos electricamente flexibles con la red, mediante el uso de conversores electrónicos, dando lugar así a las llamadas “turbinas de velocidad variable”. Los equipos que operan a velocidad variable presentan beneficios tales como el de reducir las fluctuaciones de voltaje en el punto de conexión. En muchos de ellos también es posible un control independiente de la potencia activa y reactiva entregada a la red. Existen básicamente dos enfoques en los aerogeneradores de velocidad variable. Un primer enfoque es aquel en el cual toda la potencia generada por la turbina debe pasar a través de un convertidor de frecuencia antes de ser entrega a la red permitiendo, por ende, un amplio rango de variación de velocidad, figura 6. Fig. 6 Generador sincrónico o asincrónico con jaula de ardilla acoplado a la red mediante conversor El segundo enfoque muestra un equipo que cuenta con un rango restringido de variación de velocidad en el cual sólo una fracción de la potencia de la turbina debe ser convertida. La Figura 7 presenta las principales componentes de un aerogenerador de velocidad variable con generador de inducción doblemente alimentado, cuya principal característica es que la máquina es excitada tanto desde el estator como del rotor. Fig. 7 Generador asincrónico doblemente alimentado 3. ELEMENTOS DE DISEÑO DE TURBINAS EÓLICAS Como hemos destacado, los mayores avances en la generación eoloeléctrica se han logrado con las turbinas tripala, con rotor a barlovento y eje horizontal, pero salvando estas coincidencias los fabricantes han elaborado diseños constructivos de características muy diferentes. 4/8 Décimo Quinto Encuentro Regional Ibero-americano del CIGRÉ Foz de Iguazú-PR, Brasil 19 al 23 de mayo de 2013 Cuando se pensó que los molinos podrían ser útilizados para la generación de energía eléctrica surgió la primera dificultad: la diferencia de velocidades de rotación a la que giran las palas, que queda limitada a pequeños valores, respecto de la mucho mayor y necesaria velocidad de giro del rotor del generador, si pensamos que este último debe asumir el tamaño y peso habitual para las potencias utilizadas en los aerogeneradores. Es por ello que un primer aspecto a tener en cuenta en el proyecto de una turbina es el que se refiere a la velocidad de giro de las palas que debe estar limitada por la velocidad tangencial de la punta de la misma que, como es sabido, es proporcional a su longitud. En el siguiente ejemplo, para un aerogenerador de 3,6 MW que utiliza una máquina asincrónica de tres pares de polos se pueden apreciar algunos valores característicos: Diámetro D = 120 m y velocidad del rotor 10 rpm. De donde se deduce el valor de la velocidad tangencial: Vt = (2* π * n /60)*D/2 = (2* π * 10 /60)*120/2 = 81,7 m/s = 294 km/h Los valores de velocidad de punta de pala para los grandes rotores se encuentran en el entorno de 300 km/h. Velocidades mayores producen inconvenientes entre los cuales no se puede despreciar la influencia del nivel de ruido. Como solución para adaptar la velocidad del rotor de la turbina con la del generador y permitir el acoplamiento mecánico se recurrió a dispositivos de multiplicación, desde los primitivos juegos de poleas, utilizadas en pequeños generadores hasta las modernas cajas de engranajes planetarios de varias etapas utilizadas en los grandes generadores actuales. Prosiguiendo con el ejemplo se calcula, la relación que deberia tener la caja multiplicadora para llegar a las 1000 rpm del generador a partir de los 10 rpm de la turbina lo que se consigue con una multiplicación de 1000/ 10 = 100, lo cual significa en la práctica intercalar una caja planetaria de tres etapas. En los equipos de mayor potencia la caja multiplicadora se fue convirtiendo en un problema dado su elevado peso y volumen, sus problemas de mantenimiento y el aporte de pérdidas con la consecuente disminución del rendimiento de la conversión. Al aumentar la potencia de los equipos, algunos fabricantes, fueron copiando el diseño de los generadores impulsados por las grandes turbinas hidraúlicas, aumentando el número de polos dispuestos sobre coronas de mayor diámetro. Con esta estrategia se logrò disminuir significativamente, y en muchos casos anular, la diferencia entre la velocidad de rotación de las palas y la necesaria del rotor del generador. Se consiguió, entonces, contar con cajas multiplicadoras más pequeñas o, en el mejor de los casos, disponer de una transmisión directa sin multiplicación. El desarrollo de potentes imanes ha colaborado fuertemente en el diseño de aerogeneradores sin caja multiplicadora. 3. CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS DE LOS GRANDES GENERADORES EÓLICOS A los sistemas dotados de control de paso de pala variable (Pitch control) se ha adicionado una mejora que permite que el movimiento de las palas alrededor de su eje se efectúe en forma independiente en cada pala. Esta variante permite que el ángulo con el que las palas enfrentan al viento pueda presentar 5/8 Décimo Quinto Encuentro Regional Ibero-americano del CIGRÉ Foz de Iguazú-PR, Brasil 19 al 23 de mayo de 2013 el valor más adecuado para las capas de diferente velocidad con las que se encuentran a lo largo de su recorrido. Esto se hace más necesario en la medida que aumenta el diámetro de los rotores. Los equipos recientemente instalados han mostrado una fuerte tendencia al uso del acoplamento directo de generadores sincrónicos con inductores bobinados o imanes permanentes, con acoplamento a la red por medio de conversores electrónicos. En nuestro país existen dos parques eólicos (PE) que cuentan con equipos de la primera característica mencionada. Se trata de los PE Diadema en Comodoro Rivadavia (7 aerogeneradores ENERCON de 900MW) y PE Pico Truncado (4 aerogeneradores ENERCON, de 600MW). También se dipone de equipos con imanes permanentes, que la firma IMPSA instaló en Arauco, La Rioja (12 aerogeneradores de 2,1 MW). En los últimos años se observa una mayor penetración de equipos que cuentan con generadores asincrónicos con rotor bobinado con doble alimentación. Este equipamiento es liderado por la firma VESTAS que ya ha instalado en nuestro país 80 MW eólicos en los PE Rawson 1 y2. Para estos desarrollos se ha insitido en mantener la caja multiplicadora incluyendo sistemas de refrigeración del aceite y mejorando la calidad y el diseño de los trenes de engranajes con el fin de limitar los problemas de mantenimiento que siempre aquejaron a estos equipos. 4. LA SITUACIÓN ACTUAL La silueta de las turbinas tripalas se está convirtiendo en algo muy familiar para miles de personas en todo el mundo. Parecería que para estas tecnologías todo sigue igual. Pero, observando en detalle, vemos que el aspecto exterior de las góndolas está cambiando y es fundamentalmente dentro de ellas, donde un fascinante proceso de transformación se está verificando. Estos cambios, donde se ponen de manifiesto todas las modernas técnicas de la ingeniería, se pueden verificar consultando los distintos productos que ofrecen los principales fabricantes. Los cambios tecnológicos apuntan, cada vez más, a lograr conversores eoloeléctricos de mayor potencia, superándose ya los 7 MW, con una tendencia firme a lograr prototipos de 10 MW. Ya existen programas liderados por importantes empresas, con el aporte de grupos de investigación que realizan proyecciones para desarrollos de15 MW. Más allá de ir superando los niveles de potencia nominal, se busca obtener un mayor beneficio del viento y reducir los costos de fabricación. Para lograr el primer objetivo se estudia como optimizar el diseño de las palas y los sistemas de control sobre las mismas, así como reducir su peso con la utilización de fibras de carbono. Los desarrollos offshore han llevado a maximizar la “potencia por torre”. Pero el desarrollo de las grandes turbinas no está excento de problemas. El incremento del peso y tamaño de la góndola se convierte en uno de los mayores inconvenientes. Distintos e ingeniosos, nuevos diseños, apuntan a minimizar este problema. 5. LOS ÚLTIMOS DESARROLLOS TECNOLÓGICOS Como se ha mencionado, al día de hoy, la mayor parte de las turbinas que se instalan repiten las características de estar conformadas por rotores tripala de disposición a barlovento y sentido de giro horario. La mayoría de los fabricantes se han inclinado por la tecnología de “velocidad variable” con “generadores sincrónicos” o “asincrónicos con doble alimentación”. En todos los casos el control de paso de pala es “pitch”. 6/8 Décimo Quinto Encuentro Regional Ibero-americano del CIGRÉ Foz de Iguazú-PR, Brasil 19 al 23 de mayo de 2013 El notable aumento en la potencia unitaria, para los equipos destinados a instalaciones ofshore, obligó a pensar en como reducir el peso en la góndola, algo que no se logró con la transmisión directa, ya que la eliminación del peso de la caja multiplicadora se traslada al generador multipolo, de gran diámetro. Otras ideas están siendo implementadas, como la de reemplazar la caja multiplcadora de engranajes por dispositivos de multiplicación hidrostáticos o hidrodinámicos, entre los que se destaca el propuesto por la firma japonesa Mitshubishi que elige reemplazar la transmisión mecánica de la caja de engranajes con una transmisión hidraúlica. Este dispositivo está integrado por una bomba hidraúlica conectada al rotor de la turbina, un acumulador hidroneumático y uno o varios motores hidráulicos acoplados a los generadores sincrónicos.. Fig. 8 Sistema de transmisión hidráulica. La posibilidad de controlar a voluntad la velocidad de los motores hidráulicos, permite sincronizar los generadores con la frecuencia de línea evitando de esta forma la necesidad del conversor electrónico para la conexión a la red. El equipo DEWIND de 2 MW, figura 15, montado en la mina Veladero, en la provincia de San Juan, cuenta con un dispositivo similar al mencionado. Si bien éste resulta un diseño novedoso para la generación eólica, no reduce en demasía el peso de la góndola. Para conseguir este objetivo se han trasladado las experiencias realizadas en superconductores de alta temperatura HTS, para fabricar un alternador de reducido peso y volumen, ver figura 9. Figura 9: Reducción de tamaño y peso en una máquina por el uso de superconductores Inicialmente, la tecnología HTS (superconductores de alta temperatura, sigla en inglés) se está usando en sistemas de propulsión eléctrica para barcos. Siemens ha desarrollado un generador HTS de 4 MW para uso a bordo, el cual se encuentra en prueba permanente luego de varios ensayos exitosos. Los superconductores de alta temperatura pueden transportar una densidad de corriente hasta 100 veces 7/8 Décimo Quinto Encuentro Regional Ibero-americano del CIGRÉ Foz de Iguazú-PR, Brasil 19 al 23 de mayo de 2013 mayor que la de los conductores de cobre. El peso se reduce en un 50% y la eficiencia se incrementa hasta en 1,5 puntos porcentuales. 6. CONCLUSIONES Dentro de las energías renovables (excluyendo la megahidráulica) la energía eólica, es sin duda aquella que está llamada para liderar la sustitución, en gran parte, de la utilización de los combustibles fósiles para la generación de energía eléctrica. La potencia instalada, en todo el mundo, que ya supera los 200.000 MW, muestra, en muchos casos, que es posible un importante grado de penetración de energía proveniente de los aerogeneradores, en las redes eléctricas. Los avances tecnológicos realizados han permitido hechar por tierra los mitos de las limitaciones en el despacho por tratarse de una energía de carácter aleatorio e intermitente. Así también fueron superados los problemas de perturbaciones sobre las redes interconectadas. Es facilmente comprobable que en los sistemas eléctricos de muchos países, que cuentan con las bondades del recurso, la generación eólica está resultando económicamente competitiva. 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