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.
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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)
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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.
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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.
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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
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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”.
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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
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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.
BIBLIOGRAFÍA
• ALSTON Wind Power Solution; ENERCON Brochure 6 MW; SIEMENS 6 MW Direct Drive;
GAMESA Brochure; IMPSA Wind, Gabriel Galván, Desarrollo de generadores con tec. propia
• VESTAS Wind Systems Brochure
• Aerogenerdores, Abel Mestre Gaya Sevilla, 2007
• IEC 61400
• Anexo 40 Procedimientos, Secretaría de Energía de la Nación
• Energía eólica Jaime Moragues; Alfredo Rapallini Inst. Argentino de Energía Gral Mosconi 2003
• Rafael Oliva, Introducción al control de las Máquinas Eólicas, UNPA 2011
• Advanced Wind Turbine Drivetrain Concepts. ENREL – DOE, June 2010
• Adam Ragheb, Magdi Ragheb; Wind Turbine Gearbox Technologies, march 2010
• Vojislav Miltenovic et al, Diferential planetary transmission of wind turbine continuously variable
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