el aero ppw

7/31/2019 EL AERO PPW

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Segn la posicin de su eje principal:Los de eje horizontal, (HAWTs: horizontal axis wind turbines)

los de eje vertical (VAWTs: vertical axis wind turbines).

Mquina de Darrieus-1931 Diseo tripala dans con rotor a barloven


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VENTAJAS

9Se puede situar el tren de transmisin en el suelo

9No necesita torre

9No necesita mecanismo de orientacin para girar

el rotor contra en viento

9No necesitan regulacin frente al cambio de

velocidad del viento

DESVENTAJAS

9Las velocidades de viento a ras de suelo son bajas

9La eficiencia promedio es baja9No es de arranque automtico: precisa un par de arranque

9Puede necesitar sujecin adicional por cables

9Para sustituir el rodamiento principal se necesitadesmontar toda la mquina

9Ma or im acto visual


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TSR o velocidad especficaPara TSR3.5, las palas funcionan porempuje ascensional


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Las mquinas de eje horizontal pueden ser lentas o

rpidas segn la velocidad tpica de la punta de la pala,definida a travs de su velocidad especfica o TSR

siendo w es la velocidad de rotacin,

D el dimetro del rotor yV1 la velocidad del viento incidente.

Mquinas lentas

1. Tienen una velocidad especfica entre 2 y 5.2. Se caracterizan porque su velocidad de rotacin es baja, por lo que tienen un gran nmero de

palas (entre 12 y 14) que cubren casi toda la superficie del rotor.3. Tienen un elevado par de arranque gracias al cual pueden ponerse en marcha incluso con

velocidades de viento muy bajas.

4. Su velocidad de rotacin hace que sean poco tiles para producir energa elctrica por lo que seemplean fundamentalmente para el bombeo de agua.

Mquinas rpidas1. Tienen una velocidad especfica entre 8 y 102. Su velocidad de rotacin es elevada y el nmero de palas reducido (dos, tres o cuatro).

3. Su par de arranque es menor y necesitan que el viento tenga mayor velocidad para arrancarlas obien disponer de algn medio auxiliar.

4. Son ms ligeras, soportan menores esfuerzos y su conexin a la red elctrica es ms fcil.


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Tripala Bipala Monopala


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EnergaElica

EnergaMecnica

EnergaElctrica

Sistemade

captacin

Sistemade

transmisin

Sistemade

generacin


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Sustentacin aerodinmica

2

2

2

S

SCR w ==

es un coeficiente que depende del ngulo de incidencia o ataque ,de las unidades elegidas y de la turbulencia del movimiento;Cw es el coeficiente de resistencia (penetracin),es la densidad el aire yS, la seccin frontal del perfil.

Para grandes Para pequeo, aparece Fsust

Resultante de fuerzas aplicada en c.d.e

Concepto de Prdida de Sustentacin

Concepto de Resistencia aerodinmica


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La sustentacin es perpendicular a la direccin del viento.

A menor ngulo de incidencia , la resultante R ser mayor.

Fuerza de arrastre (Farr) y Fuerza de elevacin o sustentacin (Fasc)

en perfiles FIJOS

2

2

cos

SvkRF

SvksenRF xarr

==

==


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tgC

C

k

kf

x

y

x

y 1===

Polar de un perfil

Perfiles NACA-4 cifras se obtiene mediante dos parbolas tg en el punto dmxima lnea media.1.La dos primeras cifras tienen un significado geomtrico: la primera indica la mxima flecha de la

lnea media de la cuerda en %, proporcionando el valor de la mxima curvatura del perfil y lasegunda, indica la distancia desde el borde de ataque hasta la posicin de la mxima flecha omxima curvatura del perfil,

2.Las dos ultimas cifras indican el espesor relativo mximo del perfil en % respecto a la cuerda

Los perfiles NACA44XX tienen el intrads en parte convexa, por lo que son de construccin mscompleja aunque al igual que los anteriores. XX indica el mximo espesor del perfil.

Tipos: biconvexos, plano-convexos, de doble curvatura


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viento aparente o estela, deelocidad c),viento real (velocidad nominal v)viento originado por elovimiento de rotacin de laala ( velocidad u):

, el ngulo de inclinacin o calaje, que loforma una cuerda del perfil con el plano derotacin;vara a lo largo del perfl (ngulo depaso) , el ngulo de incidencia o ataque, el nguloque forma la cuerda del perfil con la velocidad c

aparente del viento, ,el ngulo aparente del viento, es el nguloque forma el plano de rotacin con la direccinaparente del viento que pasa por el borde de

ngulos de cuerda

= -


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Fuerzas en perfiles MVILES

dRse puede descomponer a su vez en dos fuerzas, tanto a la entrada del viento como a la salida en el perfil mvil.

A la entrada del perfil, viento de velocidad , la fuerza axial Fax y la fuerza de parFpar,

A la salida del perfil, viento de velocidad aparente c, la fuerza de arrastre Farry la fuerza de sustentacin Fsust

Sobre un elemento de pala, de superficie elemental dS, acta una fuerza dR:

dS = Ldr, donde L = longitde la cuerda

Sea TSR o velocidad especfica= u/v =cotgPara TSR3.5, las palas funcionan por empuje ascensional


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Fuerzas en perfiles MVILES

siendo:Cx, coef. Arrastre,Cy: coef. Ascensional, ambos

funcin: f (tipo perfil, ngulo incidencia,NReynols)

A la salida del perfil, viento de velocidad aparente c:

A la entrada del perfil, viento de velocidad :

que hace girar la pala (est en el plano de rotacin)

fuerza de empuje del viento sobre el rotor

La Fascensional o de sustentacin aumenta hasta un mximo con el ngulo de ataque y luego

disminuye. Interesa trabajar siempre para el valor de que haga mxima la Fascu, vara en funcin del radio de pala r (aumenta, conforme nos separamos del rotor), lo queorigina que c (velocidad aparente) tambin vare. Si c vara, tambin lo hace.

Para mantener el ngulo de ataque cte, el ngulo de paso o calaje debe variara lo largo de la longitud de pala


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Rendimiento aerodinmico de las palasPotencia til generada por un elemento diferencial de pala:

Potencia consumida por el viento:

Siendo f la esbeltez y cotg, la velocidad especfica o TSR.

Se cumple que, a mayorf, mayorraerod

El raerod es mximo, para un fijo a lo largo detoda la longitud de pala, por lo que debe variar

Potencia y par motor mximos


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Variacin del ngulo de inclinacin ongulo de paso a lo largo del perfil ()

ngulo aparente del vie


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Para el diseo o seleccin de las palas:Objetivo: obtener el rendimiento mximo a la velocidad nominal de funcionamiento.

Se determina la velocidad del viento en funcin del emplazamiento Se elige el tipo de perfil de pala y la velocidad de rotacin deseada Conocida v y u, se determina el ngulo aparente del viento , que vara a lo

largo de la pala El ngulo de incidencia del viento sobre la pala debe ser fijo, para lo que el

ngulo de calaje debe variar


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El buje, consiste en una esfera hueca

cortada por tres planos en los que seconforman las bridas de unin a losrodamientos de pala (coronas deorientacin).

Se fabrica normalmente en fundicinde hierro esferoidal, siendo laverificacin a fatiga el requerimiento

ms crtico de su diseo.

Ejerce una funcin de soporteestructural y unin de las palas al restodel tren de potencia del aerogenerador,adems de alojar en su interior lossistemas y mecanismos necesarios

para el control de potencia delaerogenerador


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Todos los aerogeneradores estn diseadoscon algn tipo de control de potencia quepermita:

1. Detener la mquina y limitar su velocidad

por razones de seguridad.

2. Optimizar el funcionamiento.

3. En el caso de generacin elctrica a

frecuencia constante es necesario mantener

la velocidad de giro del rotor dentro de

ciertos lmites para obtener un rendimiento

elevado en el generador.Velocidadde conexin= 4m/s

Velocidad nominal= 16m

Velocidad de corte=

Potencia nominal= 850

Las tres formas ms comunes de conseguir el control de potencia son:

1. Regulacin pasiva por prdida aerodinmica stall controlled

2. Regulacin por cambio de ngulo de paso pitch controlled

3. Regulacin activa por prdida aerodinmica


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Pala del rotor unida al buje en un ngulo fijo (= cte)

Perfil de pala aerodinmicamente diseado para asegurar que, en elmomento en que la velocidad del viento sea demasiado alta, se creeturbulencia en la parte de la pala que no da al viento (extrados).

Esta prdida de sustentacin evita que la fuerza ascensional de la pala actesobre el rotor y produce una prdida de potencia.

A mayor v, aumenta, Fasc disminuye


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Ventajas

Se evitan las partes mviles del rotor y un complejo sistema decontrol

Estructura del cubo resulta mucho ms simple por ausencia demecanismos de variacin en el ngulo de paso de las palasMenor mantenimiento debido a menos partes mviles.

Es decir, solucin ms barata, ya que implica menos peso, menosmantenimiento y mayor fiabilidad.

Inconvenientes

Complejo diseo aerodinmico que comporta retos en el diseode la dinmica estructural de toda la turbina, para evitar lasvibraciones provocadas por la prdida de sustentacin y

Menor eficiencia, al ser peor el aprovechamiento de la potenciadel viento en todo el rango de velocidades ( sobre todo, porencima de la v nominal


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El controlador electrnico de la turbina comprueba varias veces por segundola potencia generada. Cuando sta alcanza un valor demasiado alto, elcontrolador enva una orden al mecanismo de cambio del ngulo de paso(pitch), que inmediatamente hace girar las palas del rotor alrededor de su eje

longitudinal ligeramente fuera del viento. Y a la inversa, las palas son vueltashacia el viento cuando ste disminuye de nuevo.


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Ventajas

Control de la potencia activa bajo todas las condiciones deviento. Mejor eficiencia aerodinmica

Optimiza el comportamiento aerodinmico del rotor.

Evita las vibraciones de pala Ms bajo nivel de ruidos Facilidad de arranque o cut-in de la mquina a bajas velocidades de

viento ajustando el ngulo a un valor adecuado.

No necesita de fuertes frenos mecnicos para detener el rotor encaso de emergencia posicionando la palas en bandera. Disminucin y uniformidad de las cargas sobre las palas para

elevadas velocidades de viento

Inconvenientes

Requiere una ingeniera muy desarrollada, para asegurar que las palas

giren exactamente el ngulo deseado (unos pocos grados cada vez queel viento cambie) y mantener el ngulo ptimo que proporcione el mximorendimiento a todas las velocidades de viento.


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El mecanismo de cambio del ngulo de pasosuele operarse mediante sistemas hidrulicosen los aerogeneradores menores de 250 kW

(1 para las tres palas o 1 independiente paracada pala) o mediante motores elctricospaso a paso en turbinas mayores de esevalor (servomotores).

Los actuadores elctricos permiten controlarel cambio de paso con una mayor precisin,limitando las fluctuaciones de potencia

producida en el generador en un 1%.

La mayor rigidez y precisin de esta solucinconducen a menores problemas dinmicos

en comparacin con el control por sistemashidrulicos.


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o Usado en aerogeneradores a partir de 1 MW, provistos de generadores

asncronos (un generador asncrono se encuentra rgidamente acoplado ala red elctrica, de forma que mantiene al rotor girando a velocidad casiconstante para cualquier velocidad de viento).

o Este sistemas combina los dos principios anteriores (stall & pitch).

o Los reguladores de paso de las palas tratan de mantener constante tantoel ngulo de ataque como la velocidad del rotor de la mquina


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Ventajas

Una de las ventajas de la regulacin activa por prdida aerodinmica es quela produccin de potencia puede ser controlada de forma ms exacta quecon la regulacin pasiva, con el fin de evitar que al principio de una rfaga

de viento la potencia nominal sea sobrepasada.

Otra de las ventajas es que la mquina puede funcionar casi exactamente ala potencia nominal a todas las velocidades de viento


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Consiste en reducir el rea de captacin o rea del rotor en posicinperpendicular a la corriente de aire incidente cuando la velocidad supera ciertovalor crtico o de corte.

El principal inconveniente: una fuerte vibracin que induce peligrosos esfuerzos

de fatiga de naturaleza irregular en toda la estructura.El viento incidente no posee un comportamiento estable en el tiempo y por tantolas cargas sobre el rotor tambin sern irregulares; de este modo a velocidadescercanas a la crtica se sucedern situaciones de un equilibrio casi inestable,

provocando oscilaciones desde la posicin del eje del rotor, que golpean el topedel soporte.

RESORTE CALIBRADO


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El viento debe incidirperpendicularmente al discobarrido por el rotor, para obtenerla mxima potencia posible.Para ello se emplea el sistema

de orientacin.

Soluciones tpicas paraaerogeneradores de baja

potencia

m = 4s


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El mecanismo de orientacin de un

aerogenerador es utilizado para lograr elcontrol de potencia del aerogenerador,junto con el mecanismo de regulacin,permitiendo el giro del rotor de la turbina en

contra del viento.Dos cuestiones ms a considerar:Tendencia natural a orientarse contra el vientoMayores cargas de fatiga en las palas

En realidad gira toda la gndola sobre subase. El giro se puede realizar por cojinetesde friccin (patines) o de rodadura

Casi todos los aerogeneradores de ejehorizontal (rotor a barlovento) empleanesta orientacin forzada, es decir, utilizanun mecanismo que mantiene la turbinaorientada en contra del viento mediantemotores elctricos y multiplicadores.


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El mecanismo de orientacin consta de:

Motores de giro. El movimiento circular, se consigue con unos motoresy reductores fijos a la gndola (motorreductores), y engranando en undentado de la parte superior de la torre, llamada corona de orientacin.La seal de posicionamiento correcta la recibe del controlador de laturbina, con las lecturas de la veleta y anemmetro instaladas en cadaturbina.

Freno en orientacin. Tienen como misin evitar desplazamientosradiales de la gndola, por efecto del viento incidente o giro del rotor, nodeseados. Asimismo, reducen el desgaste de los engranajes de

orientacin. Su accionamiento puede ser hidrulico o elctrico, actuandoen pinzas de freno o motor elctrico respectivamente.

Son disposiciones tpicas:

94 motores orientacin pista interior corona92 motores orientacin pista exterior corona


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LA TORRE

Soporta la gndola y el rotor. Puede ser tubularo de celosa (estas ltimas, aunque ms

baratas, estn en desuso ya que las tubularesson mucho ms seguras). Tienen varios tramospara facilitar el transporte. La unin de losdistintos tramos se realiza mediante pernos enlas bridas de unin. Permite el acceso a la

gndola por el interior a travs de una escalerade gato o un elevador (en aerogeneradores>1MW).

LA CIMENTACIN o ZAPATA

Es la parte que permite el asegurar latorre vertical, absorber los esfuerzos derotor y gndola y transmitirlos

correctamente al terreno. Se calcula enbase al tipo de suelo y al tamao delaerogenerador a instalar.


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La torre del aerogenerador soporta la gndola y el rotor.

Tipos de torre:

Mstil tensado,

Celosa,Tubulares de aceroTubulares de hormignHbridas


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Secciones de 20-30 m longitudDimetro mximo de 4.3 m

50-60 Tn peso lmiteEspesor mximo chapa= 50 mm

el aero ppw

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