Proyecto Fin Carrera Aerogeneradores

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UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLASESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)INGENIERO INDUSTRIAL

PROYECTO FIN DE CARRERA

GENERADORES DE EXCITACIN SUPERCONDUCTORA PARA AEROGENERADORES

AUTOR:

ANTONIO ORTIZ CASAS

MADRID, SEPTIEMBRE DE 2005

INDICE GENERAL

MEMORIAMEMORIA DESCRIPTIVA__________________________1 CLCULOS JUSTIFICATIVOS______________________65 ESTUDIO ECONMICO___________________________161 ANEXOS________________________________________191 BIBLIOGRAFA__________________________________200

PLANOS

PRESUPUESTOPRESUPUESTO DESGLOSADO ____________________203 PRESUPUESTO GENERAL_________________________206

Autor: Antonio Ortiz Casas

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MEMORIA DESCRIPTIVA

1.1.1. COMPONENTES DE UN AEROGENERADOR

Aerogenerador Mitsubishi 1.000 kW.

1 Pala 2 Rodamientos de la pala 3 Buje 4 Cabeza del rotor 5 Rodamientos Principales 6 Eje motriz 7 Acoplamiento (baja velocidad) 8 Multiplicadora 17 Gndola

9 Acoplamiento (alta velocidad) 10 Unidad hidrulica 11 Intercambiador de calor 12 Generador 13 Vela 14 Pararrayos 15 Anemmetro 16 Actuador de pich 18 Torre

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Antonio Ortiz Casas

Autor: Antonio Ortiz Casas

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MEMORIA DESCRIPTIVA

1.1.1.1. TORRES DE AEROGENERADORESTorres tubulares de acero La mayora de los grandes aerogeneradores poseen torres tubulares de acero, fabricadas en secciones de 20-30 metros con bridas cnicas, con el fin de aumentar su resistencia y al mismo tiempo ahorrar material. Torres de celosa Las torres de celosa son fabricadas utilizando perfiles de acero soldados. La ventaja bsica de las torres de celosa es su coste, puesto que una torre de celosa requiere slo la mitad de material que una torre tubular con la misma rigidez. La principal desventaja de este tipo de torres es su apariencia visual (esa cuestin es claramente debatible). En cualquier caso, por razones estticas, las torres de celosa han desaparecido prcticamente en los grandes aerogeneradores modernos. Torres de mstil tensado con vientos Algunos aerogeneradores pequeos estn construidos con delgadas torres de mstil sostenidas por cables tensores. La ventaja es el ahorro de peso y, por lo tanto, de coste. Las desventajas son el difcil acceso a las zonas alrededor de la torre, lo que las hace menos apropiadas para zonas agrcolas. Es tambin la ms propensa a sufrir actos vandlicos. Torres hbridas Algunas torres son combinaciones entre una de celosa y una tubular.

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Antonio Ortiz Casas

Autor: Antonio Ortiz Casas

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MEMORIA DESCRIPTIVA

1.1.1.2. ROTORMateriales de la pala del rotor La mayora de las modernas palas de rotor de grandes aerogeneradores estn fabricadas con plstico reforzado con fibra de vidrio ("GRP"), es decir, polister o epoxy reforzado con fibra de vidrio. Utilizar fibra de carbono o aramidas (Kevlar) como material de refuerzo es otra posibilidad, normalmente estas palas eran antieconmicas para grandes aerogeneradores, pero hoy da se estn empezando a utilizar. Los materiales compuestos de madera, madera-epoxy, o madera-fibraepoxy an no han penetrado en el mercado de las palas de rotor, aunque existe un desarrollo continuado en ese rea. Las aleaciones de acero y de aluminio tienen problemas de peso y de fatiga del metal, respectivamente. Actualmente slo son utilizados en aerogeneradores muy pequeos.

1.1.1.3. GENERADORES DE TURBINAS ELICAS

Tpico generador asncrono utilizado en aerogeneracin

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Autor: Antonio Ortiz Casas

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MEMORIA DESCRIPTIVA

Los aero-generadores son algo inusuales si se les compara con los otros equipos generadores que suelen encontrarse conectados a la red elctrica. Una de las razones es que debe trabajar con una fuente de potencia (el rotor de la turbina elica) muy variable. La tensin de generacin suele ser de 690 V de corriente alterna trifsica. Posteriormente, la corriente es enviada a travs de un transformador anexo a la turbina (o dentro de la torre), para aumentar su voltaje entre 10 y 30 kV, dependiendo del estndar de la red elctrica local. Los grandes fabricantes proporcionan modelos de aerogeneradores tanto de 50 Hz como 60 Hz (para la red elctrica de Amrica). Los generadores necesitan refrigeracin durante su funcionamiento. En la mayora de turbinas la refrigeracin se lleva a cabo mediante encapsulamiento del generador en un conducto, utilizando un gran ventilador para la refrigeracin por aire. Algunos fabricantes usan generadores refrigerados por agua, que pueden ser construidos de forma ms compacta, esto proporciona algunas ventajas en cuanto a rendimiento se refiere. Las turbinas elctricas pueden ser diseadas tanto con generadores sncronos como asncronos, y con varias formas de conexin, directa o indirecta a red. La conexin directa a red significa que el generador est conectado directamente a la red de corriente alterna. La conexin indirecta a red significa que la corriente que viene de la turbina pasa a travs de una serie de dispositivos electrnicos antes de ser enviada a la red. En generadores asncronos esto ocurre siempre. La mayora de turbinas elicas del mundo utilizan un generador asncrono trifsico, tambin llamado generador de induccin. Fuera de la industria elica y de las pequeas unidades hidroelctricas, este tipo de generadores no est muy extendido. Otra de las razones para la eleccin de este tipo de generador es que es muy fiable y no suele resultar caro. Este

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generador tambin tiene propiedades mecnicas que lo hacen especialmente til en turbinas elicas (el deslizamiento y una cierta capacidad de sobrecarga). Uno de los motores asncronos ms utilizados en aerogeneracin (hasta la llegada de las mquinas megavatio) ha sido el rotor de jaula de ardilla. Lo bueno de ste es que l mismo adapta el nmero de polos del rotor de forma automtica. As pues, un mismo rotor puede ser utilizado con una gran variedad de nmeros de polos. El problema de proveer de ms polos a un generador asncrono se reduce a conectar de distinta forma las bobinas del estator. Algunos fabricantes equipan sus turbinas con dos generadores, uno pequeo para periodos de vientos suaves, y otro grande para periodos de vientos fuertes (o dos iguales que funcionarn conjuntamente en periodos de viento fuertes y uno slo en los dbiles). Un diseo comn en las mquinas ms nuevas es un generador de nmero de polos variable, es decir, generadores en los que (dependiendo de como estn conectadas las bobinas del estator, como ya vimos) puede funcionar con diferente nmero de polos y, por tanto, a distinta velocidad de rotacin. Algunos generadores se fabrican por encargo como dos-en-uno, es decir, que son capaces de funcionar como, p.ej., un generador de 400 kW o uno de 2.000 kW, y a dos velocidades diferentes. Este diseo se extendi durante los pasados aos en la industria, pero no lleg a consolidarse. Si vale o no la pena utilizar un generador doble o un mayor nmero de polos para los vientos suaves depender de la distribucin de velocidades del viento local, y los costes de los polos adicionales comparado con el precio que el propietario de la turbina obtiene por la electricidad.

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Sin embargo, una buena razn para utilizar un sistema de generador doble es que puede hacer funcionar la turbina a ms baja velocidad de rotacin a bajas velocidades de viento. Esto supone a la vez una mayor eficiencia (aerodinmicamente), y un menor ruido de las palas del rotor (que slo suele suponer un problema a bajas velocidades del viento). El deslizamiento del generador en una mquina asncrona suele ser muy pequeo por cuestiones de eficiencia, por lo que la velocidad de giro variar alrededor de un 1% entre el rgimen en vaco y a plena carga. Sin embargo, se puede variar el deslizamiento variando la resistencia del rotor, de esta forma puede aumentarse hasta un 10 %. Esto suele hacerse mediante un rotor bobinado (no es posible en un rotor de jaula de ardilla): un rotor con cables de cobre arrollados conectados en estrella, y conectados a resistencias variables externas, adems de un sistema de control electrnico para operar las resistencias. La conexin suele hacerse con escobillas y anillos rozantes, lo que supone un claro inconveniente respecto al diseo tcnico elegante y simple de una mquina de rotor de jaula bobinada. Tambin introduce partes que se desgastan en el generador, por lo que requiere un mantenimiento adicional. Opti Slip Es una variacin interesante del generador de induccin de deslizamiento variable que evita los problemas que introducen los anillos rozantes, las escobillas, las resistencias externas y, a su vez, el mantenimiento. Se logra montando las resistencias externas en el propio rotor, as como el sistema electrnico. La comunicacin al rotor del deslizamiento necesario puede hacerse usando comunicaciones de fibra ptica.

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1.1.1.4 CAJAS MULTIPLICADORAS

Engranajes. Los modelos tpicos de multiplicadoras poseen un sistema de tres etapas.

La potencia de la rotacin del rotor de la turbina elica es transferida al generador a travs del tren de potencia: el eje principal, la caja multiplicadora y el eje de alta velocidad. Si ussemos un generador directamente conectado a red, con 2, 4 6 polos, la turbina debera girar entre 1000 y 3000 rpm. Con un rotor de 43 metros de dimetro, implicara una velocidad en punta de pala ms de dos veces la velocidad del sonido, imposible de realizar. Otro problema es que el volumen del rotor del generador es proporcional a la cantidad de par torsor que tiene que manejar, as un ge