Laboratorio de Investigación en Energía Eólica

Instituto Tecnológico de Costa Rica

Informe ordinario

Estudiante Investigador

Samuel Murillo Rodríguez

Profesor en Jefe

Gustavo Richmond Navarro

Tema

Recomendaciones y caracterización que presenta el NREL acerca de rotores de pequeños aerogeneradores para el desarrollo y/o construcción de prototipos de estos para su estudio

Fecha de informe

03-05-2019

Informe acerca de algunas recomendaciones que indica el NREL (National Reneweble Energy Laboratory), para rotores pequeños de aerogeneradores

El NREL indica que para el desarrollo de aerogeneradores pequeños se deben hacer “pruebas de duración”, de acuerdo con la sección 9.4 de la Norma IEC 61400-2, estas aportan información sobre la estructura, integridad, calidad de protección ambiental y comportamiento dinámico de la turbina, la prueba requiere un mínimo de6 meses de operación, 2,500 horas de producción de potencia para vientos de cualquier velocidad y 250 horas de producción de potencia para vientos de 1.2 Vprom o mayores y 25 horas de producción de energía para vientos de 1.8 Vprom o mayores.La norma anteriormente mencionada indica en su sección 6.2 como definir el Vprom ya que este depende del tipo de aerogenerador pequeño en estudio, pues estos varían en cuanto al fabricante y a la velocidad de viento en funcionamiento para la cual se diseñó.La turbina no debe experimentar ninguna falla importante durante el período de prueba y debe lograr una fracción de tiempo operacional del 90% o mayor.

El NREL recalca la importancia de realizar “pruebas de rendimiento energético” de acuerdo con la norma IEC 61400-12-1, con esta prueba se pretende obtener, la medición de la curva de potencia, curva de coeficiente de potencia (CP) y una estimación de la producción anual de energía (AEP).

El NREL especifica que deben realizarse una serie de “pruebas de seguridad y funcionamiento” de acuerdo con la norma IEC 61400-2, sección 9.6, al desarrollar pequeños aerogeneradores, para examinar las funciones esenciales de una turbina.

Por ejemplo: Para el Gaia-wind de 11 kW se obtuvieron los siguientes resultados para esta prueba.

De igual manera el NREL recomienda para pequeñas turbinas de mediana a alta tensión, hacer “pruebas de la calidad de la potencia” de acuerdo con la norma IEC 61400-21 para turbinas trifásicas.

El NREL recalca también la importancia de realizar “pruebas de ruido”, la norma IEC 61400-11 no presenta información específica para turbinas pequeñas, sin embargo, indica que puede seguirse la norma con algunas modificaciones, como utilizar promedios de diez segundos en lugar de promedios de 1 minuto para mejorar la caracterización de los aerogeneradores pequeños ya que tienen una naturaleza más dinámica, también se recomienda utilizar el método de agrupación de datos y no el de regresión para determinar de mejor manera los niveles de presión sonora.

Lo anterior se puede encontrar en https://www.nrel.gov/docs/fy09osti/45632.pdf

En cuanto al tema eléctrico se refiere, recomienda el uso de Inversores, instrumentación, torre meteorológica, cableado y conexiones asociadas, en la base de la torre comúnmente se debe colocar un interruptor de servicio para frenar la turbina al cortocircuitar las tres fases de esta y a esto le sigue una desconexión de fusible trifásica. El cable de conexión de la base a lo más alto de la torre para turbinas pequeñas es #6 AWG, debe tomarse en cuenta que el freno de la turbina no debe usarse para vientos de aproximadamente 8 m/s para aerogeneradores pequeños y debe tenerse especial cuidado de no dejar este encendido por largos periodos de tiempo ya que el torque del rotor puede superar el de frenado del generador (par eléctrico cortocircuitado).

Lo anterior se puede encontrar en https://www.nrel.gov/docs/fy06osti/38550.pdf

El NREL recomienda realizar todo tipo de simulaciones de acuerdo a la norma ..

Se realizó una encuesta a de Windward Engineering, y a los participantes del proyecto WindPACT (en octubre de 2000), para solicitar opiniones sobre qué configuraciones se esperaban para ser lo más rentable posible para rotores de pequeños aerogeneradores, los resultados de esa encuesta indicaron que no se recomendaba lo siguiente: rotores de paso a punto; rotores con velocidad constante, bujes basculantes con delta-3; o torres rígidas y por el contrario se identificó que los encuestados poseen una marcada preferencia hacia el desarrollo de simulaciones del un número reducido de configuraciones de 1,5 MW de potencia, las cuales deben ir seguidas de un estudio del efecto de ciertas configuraciones seleccionadas, o la combinación de configuraciones, en el rango de calificaciones.

Se seleccionaron varios rotores y sus características para con base en ellas poder desarrollar de una manera óptima los cambios posibles por realizar en el rotor para lograr de esta manera reducir el costo eléctrico de su desempeño.

Tabla previa:

Tabla Posterior con los cambios:

En el NREL se presentan o se comentan 2 tipos de códigos de simulación para el desarrollo del estudio del desempeño de los rotores al variar las características de la tabla 5.2, estas fueron FAST_AD y ADAMS. Las comparaciones deben hacerse utilizando el mismo código aeroelástico, debido a que las diferencias entre los códigos son del mismo orden que las diferencias entre las configuraciones.

Finalmente luego de un los estudios para ver el comportamiento del rotor al aplicar los cambios anteriormente mencionados en las tablas, el NREL determinó que no todos los cambios fueron 100% convenientes para mejorar el desempeño del rotor y reducir los costos de producción de energía, de manera general recomienda que se implementen las siguientes características básicas para las configuraciones estudiadas (viento ascendente de 3 aspas, viento ascendente de 2 aspas y viento descendente de 2 aspas): Retroalimentación del prototipo de la torre, esto mediante el refinamiento del “sistema de control” para obtener mejores resultados y así poder mejorar el desempeño; Aumentando la velocidad en la punta del aspa para reducir el “Chord” y finalmente implementar el acoplamiento de la aleta-torsión.

Una vez que se aplicaron estas características anteriores a las diferentes configuraciones y se analizaron los resultados el NREL externa una serie de lecciones, aprendizajes o recomendaciones a tomar en cuenta:

-Se indica que resulta sumamente efectiva la puesta en practica de las 3 características anteriormente mencionadas.

-En algunos casos es óptimo incorporar una gran cantidad de fibra de carbono en las aspas para incorporar de buena manera un acoplamiento de giro de esta, sin incurrir en problemas de espacio entre la pala y la torre.

- Puede haber una pérdida de energía asociada con el acoplamiento de giro de la aleta, es por ello por lo que se recomienda que el giro inicial y el grado de inclinación mínimo de la cuchilla, sean corregidos.

Finalmente se obtienen diversas características a tomar en cuenta para Rotores de pequeños aerogeneradores:

-El NREL especifica que más del 50% del costo de la energía no tiene relación alguna con el diseño o mejoramiento del rotor de un aerogenerador.

- El costo del rotor como una fracción del costo de capital total, aumenta al aumentar el tamaño del rotor, es por ello por lo que las máquinas más grandes pueden beneficiarse más de las mejoras del rotor de un aerogenerador.

- El costo de un rotor de 3 palas es mayor que el de un rotor de 2 palas y, por la misma razón, este se beneficia más al realizar mejoras en el rotor de un aerogenerador.

- Si lo que se desea es reducciones más generales en las cargas del sistema para lograr de está forma un menor costo energético se recomienda realizar las siguientes modificaciones los rotores:

• Inclusión de retroalimentación de la torre al sistema de control de inclinación de la pala.

• Incorporación de acoplamiento aleta-giro en el diseño de la pala.

• Reducción de la cuerda de la cuchilla combinada con un aumento en la velocidad de la punta.

- El costo energético es sensible a cualquier pérdida de rendimiento debida al acoplamiento torcedura-torsión, y debe tenerse especial cuidado para ajustar el programa de giro inicial para compensar las deformaciones elásticas.

-Es esencial la inclusión de retroalimentación del movimiento de la torre en el sistema de control para de esta manera lograr reducir las cargas de la torre importantemente.

- Es recomendable estudiar con profundidad las penalizaciones acústicas asociadas con velocidades de punta más altas y buscar formas de mejorarlas. Lo anterior se puede encontrar en https://www.nrel.gov/docs/fy06osti/32495.pdf