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Aerogeneradores: Fatiga, Generadores y Sistemas de Orientación
Los aerogeneradores se ven afectados por la fatiga debido a los cambios en el viento, que producen variaciones en las fuerzas aplicadas a las palas. Si los cambios de viento son cíclicos, las cargas también lo serán. Cambios en V→V producen cambios en F→F
Causas de la Fatiga en Aerogeneradores
Cortadura del viento: La velocidad del viento varía con la altura y la rugosidad del terreno, generando un perfil vertical de velocidad del viento.
Sombra de la torre: Cada vez que una pala pasa frente a la torre, experimenta un “pulso” de carga. Si hay tres palas, habrá tres pulsos por vuelta del rotor.
Desalineación del rotor: Ocurre cuando V→V (la velocidad del viento) no es perpendicular al rotor. La componente del viento que causa la desalineación es la paralela a las palas (indicado como la “verde” en el dibujo).
Paso de la pala: Cuando la pala está en la posición superior, experimenta fuerza de compresión. Cuando la pala está en la posición inferior, experimenta fuerza de expansión.
Organización de Factores y Efectos
Factores principales: Variación de V→V (cortadura, sombra, desalineación).
Efecto: Cambios cíclicos en las cargas que afectan la vida útil de las palas.
Dinámica de las palas: Las fuerzas cambian dependiendo de su posición en la rotación.
Generador Asíncrono o de Inducción
El generador asíncrono o de inducción funciona de la siguiente manera:
Funcionamiento del Generador Asíncrono
Campo giratorio en el estator: El estator, alimentado con corriente alterna trifásica, crea un campo magnético giratorio cuya velocidad depende de la frecuencia de la corriente (fff) y del número de pares de polos (PPP):
Deslizamiento entre rotor y estator: El rotor gira a una velocidad ligeramente menor que la del campo magnético del estator, lo que genera un deslizamiento (sss):
Este deslizamiento es necesario para que haya un flujo magnético variable que induzca corrientes en el rotor.
Inducción de corriente en el rotor: El flujo magnético variable generado por el deslizamiento induce una corriente en el rotor (Ley de Faraday). Estas corrientes generan un campo magnético propio en el rotor.
Interacción electromagnética: El campo magnético del rotor interactúa con el campo magnético del estator, lo que genera el par electromagnético necesario para convertir la energía mecánica (del rotor) en energía eléctrica.
Producción de energía: La potencia eléctrica generada se transfiere al estator, y de ahí, a la red eléctrica.
En resumen, el generador asíncrono funciona gracias al deslizamiento entre el rotor y el estator, lo que permite la inducción de corriente en el rotor y la conversión de energía mecánica en eléctrica.
¿Por Qué No se Utiliza un Generador Síncrono en Aerogeneradores?
Justificación de por qué en los generadores no se emplea un generador síncrono. En este caso, omegat sería constante e impuesta por la red de 50 Hz. Los problemas que genera este modo de funcionamiento son tan grandes que no es rentable.
Por ejemplo, trabajar con omegat=cte implica que no hay variaciones de potencia cinética, y por tanto la potencia capturada por el AG es igual a la que se inyecta a la red. Esto presenta dos grandes problemas:
- Inyección muy brusca de potencia a la red, la cual baja la calidad del suministro eléctrico.
- Mucha fatiga en la transmisión mecánica.
Parte de la potencia que captura el rotor puede quedarse en el rotor haciéndolo variar de velocidad. Si la velocidad de giro del rotor es constante, toda la potencia que captura el rotor pasaría a la transmisión mecánica ΔP=0.
Si se rompe el eje, no se transmite potencia, y toda la potencia capturada por el rotor eólico se transforma en energía cinética en el rotor.
Las pérdidas en la transmisión y en el generador se consideran despreciables.
Funcionamiento del generador asíncrono o de inducción. No hay que explicar sus partes ni la curva par-velocidad.
Teoría y Operación de Aerogeneradores
Teoría 3. Para el aerogenerador de la Figura 1:
- Indicar las principales características del aerogenerador.
- Explicar el modo de operación cuando la velocidad del viento evoluciona lentamente desde 0 hasta 10 m/s.
El aerogenerador de la figura es un aerogenerador de velocidad fija (v=cte=21,5 rpm) y de potencia nominal Pn=900kw a (v=11m/s) y un único generador eléctrico (pmp para 8,5 m/s)
Modo de Operación de 0 a 10 m/s
Velocidad del viento nula o casi nula. El rotor está frenado y la góndola no está orientada. Generador desconectado de la red.
Cuando el viento aumenta, actúa el sistema de orientación de la góndola y se libera el freno del rotor.
Cuando se alcanza la velocidad de arranque, que en la gráfica dada se observa que es a 4 m/s, el generador se sincroniza y se conecta a la red.
La velocidad del viento sigue aumentando y con ella la potencia entregada a la red. Cuando el viento sopla a 8,5 m/s estamos en el PMP.
La velocidad del viento aumenta hasta 10 m/s, sin llegar a alcanzar la velocidad nominal, ya que se da a 14 m/s.
Esquema Eléctrico Unifilar de un Aerogenerador de Velocidad Fija
Esquema eléctrico unifilar de un aerogenerador a v fija, Generador asíncrono de jaula de ardilla conectado directamente a la red.
- Transformador: elevador de tensión para conectarse a la red
- Autoválvulas: protección contra sobretensiones, Resistencia variable en funcionamiento normal, tiene un valor muy alto, y cuando hay una sobretensión R baja permitiendo circular la corriente por ella.
- Interruptor automático: Elemento de protección contra sobretensiones.
- Arrancador suave: En un primer momento actúan los transistores, para que la corriente que pase sea pequeña. Una vez se sincroniza con la red, se cortocircuita.
- Contactor del generador: Para la conexión/desconexión de este. Se puede maniobrar en carga.
- Banco de condensadores: Proporcionan la energía reactiva que consume el generador
- Servicios auxiliares: que necesitan alimentación de red.
Sistemas de Orientación de un Aerogenerador
El sistema de orientación de los aerogeneradores tiene como objetivo alinear las palas con la dirección del viento. Puede ser activo, utilizando motores eléctricos o sistemas hidráulicos, o pasivo, más común en máquinas pequeñas, con veletas y amortiguadores que aprovechan el rotor como estabilizador, aunque generan mayores cargas mecánicas. En aerogeneradores grandes, el mecanismo incluye un motor eléctrico, reductora y piñones en la góndola, anillos de rodadura en la torre y un freno mecánico con pasador. La actuación se realiza según un tiempo de espera proporcional al error detectado: cuanto mayor es el error, menor es la espera para corregirlo. Además, para evitar el enrollamiento excesivo de los cables, estos se desenrollan cada tres vueltas completas si hay mucho viento, o dos vueltas si hay poco.
Operación de Aerogeneradores de Velocidad Variable Fuera del PMP
Explicar cuándo un AG de vel variable no puede operar en pmp
Cuando los vientos son o muy bajos o muy altos, o si hay cambios bruscos de los mismos. Por otro lado, tampoco podrá trabajar correctamente si tenemos restricciones de red o si hay turbulencias o cambios rápidos en el control, ya que el aerogenerador prioriza la estabilidad a la potencia.
Torre y Cimentación de Aerogeneradores
Torre y cimentación
Las torres de aerogeneradores, a mayor altura, permiten mayor producción, pero tienen un mayor coste (material, transporte, montaje) y menor rigidez. Es importante que la frecuencia de las cargas cíclicas no coincida con la frecuencia natural de vibración de la torre. Los principales tipos de torre son: tubular de acero por tramos (el más utilizado), tubular de hormigón y mixto (tramos inferiores de hormigón y tramo superior de acero donde se encuentra la góndola). Algunas torres también incorporan ascensor.
La cimentación varía según el terreno. En diseños convencionales, se utiliza una zapata de hormigón armado con jaula de acero. En terrenos con tensión reducida (
Control de Potencia del Rotor Eólico
a) AG pasivos: Plegamiento (horizontal o vertical) sobre un mismo plano.
b) Modificar el ángulo de paso β:
Tipos:
b.1) Reduciendo la sustentación.
b.2) Aumento de las pérdidas aerodinámicas controladas. Cuando se alcanza la potencia nominal, se reduce el ángulo de paso generándose pérdidas aerodinámicas.
Modificar el ángulo de paso permite parar el AG cuando V ↑.
En los sistemas de control de la potencia del rotor eólico con ángulo de paso variable, se ajusta el ángulo de las palas (β) para limitar la potencia cuando la velocidad del viento aumenta. Existen tres métodos principales:
Reducción de la sustentación (controlada): El ángulo de paso aumenta gradualmente cuando la velocidad del viento supera los 12 m/s, reduciendo la sustentación de las palas para limitar la potencia al valor nominal (P/Pr=1) y proteger el aerogenerador.
- Pérdida aerodinámica activa (controlada): El ángulo de paso varía drásticamente a altas velocidades de viento, inclinando las palas para generar pérdidas aerodinámicas controladas. Esto mantiene la potencia constante y evita la sobrecarga del sistema.
- Pérdida aerodinámica pasiva (no controlada): El ángulo de paso es fijo o no se ajusta activamente. A velocidades altas, las pérdidas aerodinámicas ocurren de forma natural, pero sin optimización, lo que puede causar fluctuaciones en la potencia y menor eficiencia.
Generador Síncrono vs. Generador de Velocidad Variable
En un generador síncrono:
Ventajas: Opera a velocidad constante, lo que mejora la estabilidad ante ráfagas, pero puede no aprovechar completamente la energía del viento variable.
Desventajas: La velocidad fija puede limitar la extracción de energía en condiciones cambiantes.
En un generador de velocidad variable:
Ventajas: Ajusta su velocidad para mantener el coeficiente de potencia Cp óptimo, aprovechando mejor las ráfagas.
Desventajas: Puede tener oscilaciones de potencia más marcadas debido a cambios rápidos en la velocidad del viento.
Comparación: Un generador síncrono mantiene la estabilidad en la red, mientras que uno de velocidad variable extrae más energía, pero puede generar fluctuaciones de potencia.
Caja Multiplicadora en Aerogeneradores
La caja multiplicadora en los aerogeneradores se utiliza para ajustar la velocidad del rotor eólico (20-30 rpm) a la velocidad requerida por el generador eléctrico (750-1500 rpm). Este ajuste es fundamental para que el generador opere eficientemente.
Tipos de Cajas Multiplicadoras
Ejes paralelos: Relación máxima de 1:5 por etapa.
Diseño más económico y sencillo.
Caja planetaria: Relación máxima de 1:12. Incluye componentes como corona, planetas y satélites. Normalmente tiene una parte fija, una entrada y una salida.
- Mixtos:
- Combinan características de ambos sistemas.
En el caso de la caja planetaria, su diseño permite compactar las etapas y aumentar la relación de transmisión en menos espacio, haciéndola ideal para aerogeneradores modernos.
Generador Síncrono de Imanes Permanentes
Generador síncrono de imanes permanentes
El generador síncrono de imanes permanentes funciona gracias a la interacción entre el rotor, que contiene imanes permanentes, y el estator, donde se generan corrientes inducidas.
Rotor con imanes permanentes: Los imanes generan un campo magnético fijo y estable, eliminando la necesidad de alimentación de corriente continua para crear el campo magnético del rotor. Este campo magnético gira a la misma velocidad que la frecuencia de la red (sincronismo).
Estator: Contiene un devanado trifásico donde circulan corrientes trifásicas. Estas corrientes inducidas se generan por el movimiento del campo magnético del rotor al girar frente al estator, siguiendo la Ley de Faraday.
Proceso de sincronización: La velocidad del rotor debe coincidir con la frecuencia de la red para generar energía eléctrica con las características adecuadas. Al girar el rotor, el campo magnético cortará los devanados del estator, induciendo una tensión alterna trifásica.
Ventajas de los imanes permanentes:
- Menor pérdida de energía al no requerir corriente de excitación.
- Diseño más compacto y eficiente.
Limitaciones:
- No permite ajustar el flujo magnético (campo fijo).
- Puede ser más costoso debido al uso de materiales como el neodimio.
Este tipo de generador es común en sistemas de energía renovable, como aerogeneradores, por su alta eficiencia y menor mantenimiento.