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TIPOS DE TURBINAS Clasificación de acuerdo a la posición del eje de rotación Eje vertical Utilizan sustentación, arrastre o una combinación de ellos. No requieren orientación. El generador se encuentra en la base. Eje horizontal Utilizan sustentación. Requieren un sistema de orientación del rotor. El generador se ubica en altura. Eje horizontal Eje vertical DIEC-UNS - 1er cuat. 2019 FAE - Clase 22 1
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TIPOS DE TURBINAS
Clasificación de acuerdo a la posición del eje de rotación
Eje vertical
Utilizan sustentación, arrastre o una combinación de ellos.
No requieren orientación.
El generador se encuentra en la base.
Eje horizontal
Utilizan sustentación.
Requieren un sistema de orientación del rotor.
El generador se ubica en altura.
Eje horizontal
Eje vertical
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TIPOS DE TURBINAS
Turbinas de eje vertical
De arrastre
Por la forma de cada sección presentan diferente resistencia al paso del aire y por lo tanto tienen diferentes coeficientes de arrastre. Esto genera un par. Pueden tener algo de sustentación.
La más común es la Savonius. Fácil de construir, relativamente económicas.
Coeficientes de potencia bajos, índice de solidez cercano a 1 (pesadas), difíciles de proteger ante vientos extremos.
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TIPOS DE TURBINAS
Turbinas de eje vertical (cont.)
Sustentación
Normalmente se utilizan para generación eléctrica.
Pueden ser de palas rectas (H) o palas curvas (Darrieus). Las tipo H pueden tener ajuste del ángulo de paso, pero generalmente son de paso fijo y la regulación de velocidad es por stall.
Las palas suelen tener perfiles simétricos y cuerda constante. Más simples de construir. Para funcionamiento óptimo deben tener velocidad de giro.
Problemas con baja velocidad (arranque). Puedo combinarse con Savonius.
En las Darrieus la carga aerodinámica varía a lo largo de la pala. Mayor fatiga.
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TIPOS DE TURBINAS
Turbinas de eje horizontal
Baja potencia
Normalmente tienen palas fijas y orientación por medio de veleta.
Control de velocidad por pérdida o por pérdida/plegado.
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TIPOS DE TURBINAS
Turbinas de eje horizontal
Alta potencia
Ángulo de pala fijo o variable (actuales), sistema de orientación de la góndola, control de velocidad activo o pasivo
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OPERACIÓN DEL AEROGENERADOR
Coeficiente de potencia en función de λ
Es máximo para el λ de diseño (λopt). Entonces para cada velocidad de viento, hay una velocidad de rotación óptima
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OPERACIÓN DEL AEROGENERADOR
Coeficiente de potencia en función de Ω
Depende de la velocidad del viento pero el máximo no cambia.
Ω: velocidad de rotación del rotor
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OPERACIÓN DEL AEROGENERADOR
Potencia de la turbina en función de Ω
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OPERACIÓN DEL AEROGENERADOR
Punto de operación óptimo
La máxima potencia se extrae con la velocidad de rotación óptima
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OPERACIÓN DEL AEROGENERADOR
Variantes de acuerdo a la velocidad de operación Turbinas de velocidad fija: se tiene el óptimo para una única vel. de viento.
Turbinas de velocidad variable: pueden seguir el óptimo en un rango de velocidades de viento.
Velocidad
fija
Velocidad
variable
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OPERACIÓN DEL AEROGENERADOR
Características para aerogeneradores conectados a red
Velocidad fija (no se utiliza en molinos de alta potencia)
El generador (normalmente de inducción) se conecta directamente a la red. Tienen frecuencia fija y la velocidad puede variar en un rango muy reducido.
Velocidad variable (actuales)
El generador se conecta a la red por medio de de convertidores electrónicos que soportan la totalidad o parte de la potencia de éste.
Se puede variar el torque del generador de manera rápida en prácticamente cualquier valor deseado.
En ambos casos, se usan diferentes estrategias de control dependiendo del régimen de operación de la turbina, i.e. de la velocidad de viento respecto de la velocidad nominal (Urated).
Debajo de la nominal se busca maximizar la potencia generada.
Sobre la nominal se busca limitar la potencia generada.
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CONTROL DEL AEROGENERADOR
Su propósito es asegurar la operación automática de la turbina.
Objetivos principales
Maximizar la producción de energía manteniendo la operación dentro de los márgenes de velocidad y cargas de los componentes.
Prevenir cargas extremas, incluyendo cargas transitorias y resonancias, y minimizar los daños por fatiga.
Proveer calidad de energía aceptable en el punto de conexión a la red.
Asegurar una operación segura.
Existen varias estrategias, normalmente se organizan en dos niveles:
Controles dinámicos de los diferentes subsistemas de la turbina
Realiza correcciones rápidas ante cambios en las condiciones de operación. Ajuste del paso de palas (pitch), regulación de la potencia, etc.
Control supervisor
Organiza los controles dinámicos. Realiza correcciones más lentas (accionamiento de frenos, cierres de contactores, etc.).
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Modificación del ángulo de pitch (β)
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Control del torque aerodinámico
Variando el coeficiente de punta de pala (λ)
Se modifica el coeficiente de potencia (Cp) en forma pasiva (pérdida) o activa (velocidad de rotación).
Variando la geometría del rotor
Se modifican los coeficientes de sustentación y arrastre.
Control de pitch (rotación de las palas para modificar el ángulo de ataque)
Palas inteligentes, alerones, frenos de punta.
Control de orientación
CONTROL DEL AEROGENERADOR
Regulación por stall pasivo
Las palas se diseñan para operar cerca del λopt para la velocidad de viento deseada.
La velocidad del rotor se regula en forma pasiva
A medida que la velocidad del viento aumenta, crece el ángulo de ataque de la pala e ingresa en la región de pérdida reduciendo la potencia (Cp).
Los diseños más comunes se basan en un hub rígido, tres palas y un generador de inducción directamente conectado a la red.
Normalmente no tienen opciones de control más allá de frenar el eje o desconectar el generador de la red.
Una vez que se quita el freno, la turbina comienza a girar hasta llegar a la velocidad de operación, luego es conectada a la red.
Requieren arrancador suave y compensación del factor de potencia mediante banco de capacitores.
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CONTROL DEL AEROGENERADOR
Regulación mediante control de pitch
Se puede implementar tanto en turbinas de velocidad fija como de velocidad variable.
Tiene varios objetivos, algunos de los cuales se pueden solapar y entrar en conflicto. Además debe buscarse el balance costo-beneficio.
Objetivos:
Optimizar la producción de potencia por debajo de la nominal.
Regular y limitar el torque aerodinámico por sobre la velocidad de viento nominal.
Minimizar picos en el torque sobre la caja.
Evitar actividad excesiva del pitch.
Reducir las cargas sobre el rotor y el resto del sistema (hub, torre, etc.).
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CONTROL DEL AEROGENERADOR
Control de pitch activo
Es el medio más común para controlar la potencia del rotor, limitándola para velocidades de viento elevadas.
Rota la pala para disminuir el ángulo de ataque y así disminuir el coeficiente de sustentación (se pone en bandera). Efecto importante sobre las cargas aerodinámicas generadas por el rotor.
Beneficios: incremento en la captura de energía, facilidad para frenar en forma aerodinámica y reducción de cargas extremas cuando la turbina se detiene.
El control debería actuar rápido (5°/seg. o mayor) para limitar las excursiones de potencia debido a ráfagas. Sin embargo, en el caso de máquinas de velocidad fija, puede llevar a excursiones de potencia muy altas cuando las ráfagas son localizadas.
La velocidad de respuesta queda limitada por la robustez del mecanismo de control de pitch y por la inercia del rotor. En la práctica se controla la potencia media y se toleran las fluctuaciones.
El rango de variación se encuentra entre 0 y 35°, y la velocidad en 10°/seg.
Debajo de la velocidad de viento nominal, el ángulo de pitch normalmente es fijo. Reduce la eficiencia pero mejora los aspectos económicos y la confiabilidad.
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CONTROL DEL AEROGENERADOR
Control de pitch activo (cont.)
Reguladas por pitch (cont.)
Ejemplo: máquina de 1500 kW,rotor de 17m de diámetro y velocidad de 17.1 rpm.
Curvas de potencia para diferentes ángulos de pitch.
Ángulos de pitch en funciónde la velocidad de viento.
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CONTROL DEL AEROGENERADOR
Control de pitch activo (cont.)
La energía extra que se obtiene en una turbina con regulación de pitch (respecto de una regulada por stall) no es tan significativa.
La diferencia radica en la posibilidad de regular la potencia y mejorar la calidad de energía y la fatiga de la turbina.
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CONTROL DEL AEROGENERADOR
Control por stall activo (pitch negativo )
Realizan la limitación de potencia sobre la velocidad nominal modificando el ángulo de pitch de manera inversa al pitch activo.
Incrementan el ángulo de ataque, y llevan la pala a funcionar en pérdida.
En velocidades altas de viento pueden ser necesario disminuirlo (incrementando el ptich) para mantener la potencia (ver figura).
Por encima de la velocidad nominal, la pala está en pérdida disminuyendo el ciclado de carga y potencia (ventaja). El rango de variación del ángulo es menor. Tienen mejor respuesta ante ráfagas porque la ganancia es menor.
El flujo se separa del perfil y la respuesta es menos previsible (desventaja).
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CONTROL DEL AEROGENERADOR
Turbinas de velocidad variable
Características principales
El desarrollo de dispositivos electrónicos de potencia y su inclusión en los aerogeneradores permite controlar de mejor manera el generador.
El desacople entre la velocidad de rotación del eje y la frecuencia de red, permite que la velocidad del rotor varíe.
Debajo de la velocidad de viento nominal, se puede controlar la velocidad de rotación para mantener el Cp óptimo.
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CONTROL DEL AEROGENERADOR
Turbinas de velocidad variable (cont.)
Otras ventajas
Reducción del ruido en bajas velocidades de viento porque la velocidad de rotación es menor.
Se puede suavizar el torque aerodinámico y reducir las cargas mecánicas sobre la caja reductora.
Se puede controlar la potencia activa y reactiva para mantener un factor de potencia o controlar la tensión en terminales.
Se puede controlar mejor la inyección de potencia.
Para el control se utilizan convertidores electrónicos
En configuración enfrentados (back-to-back) en el circuito estatórico (Tipo 4 o full converter) o en el circuito rotórico (Tipo 3 o DFIG).
Se incrementa el costo y las pérdidas.
Se generan armónicos y ruido eléctrico.
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CONTROL DEL AEROGENERADOR
Turbinas de velocidad variable (cont.)
Reguladas por stall o pérdida
Han sido estudiadas pero no se producen comercialmente.
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CONTROL DEL AEROGENERADOR
Turbinas de velocidad variable (cont.)
Reguladas por pitch
Además del control de torque en el generador (convertidores ) se controla el ángulo de paso de la pala (pitch).
Por debajo de la velocidad nominal operan con pitch constante y se controla la velocidad para mantener el Cp óptimo
Cuando se alcanza la potencia nominal, se controla el torque para mantener la potencia constante, y se usa el control de pitch para controlar la velocidad.
Durante las ráfagas se almacena la energía en el rotor (flywheel) y se recupera cuando la velocidad de viento disminuye, manteniendo la potencia de salida constante.
Si el viento se mantiene elevado se cambia el pitch reduciendo la eficiencia aerodinámica de la turbina. El mecanismo de control del pitch puede ser más lento que el utilizado en turbinas de velocidad fija.
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CONTROL DEL AEROGENERADOR
Turbinas de velocidad variable (cont.)
Reguladas por pitch (cont.)
Debajo de la velocidad nominal (B-C o B1-C1): control de torque con pitch constante para operar con Cp óptimo, .
Cerca de la velocidad nominal (C-D o C1-E): se limita la velocidad del rotor para reducir el ruido acústico (rampa de torque).
Sobre la velocidad nominal: se modifica el pitch para controlar la velocidad.
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CONTROL DEL AEROGENERADOR
Turbinas de velocidad fija vs. velocidad variable
Potencia
No existen grandes diferencias en la potencia generada pero sí en la respuesta ante ráfagas .
Para el mismo rotor y control de pitch, la turbina de velocidad variable puede producir un 5% más de energía.
Flexibilidad
La operación a velocidad variable permite reducir las cargas mecánicas sobre la turbina en presencia de turbulencia y variaciones cíclicas de torque.
Permiten colaborar con el soporte de la red eléctrica (normativa denominada códigos de red o grid code) por ejemplo controlando la tensión en el punto de acoplamiento o manteniéndose conectada cuando hay falla de red (huecos de tensión).
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CONTROL DEL AEROGENERADOR
Potencia de salida (en función de la velocidad del viento)
Turbina de velocidad variable
Velocidad
mínima
Comienza a actuar
el control de pitchSigue el
óptimo
Velocidad
máxima
Potencia nominal
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ESTÁNDARES
Norma IEC 61400
Establece los estándares que rigen a los aerogeneradores
Parte 1: Requerimientos de diseño
Parte 2: Turbinas pequeñas
Parte 3: Requerimientos de diseño para turbinas off-shore
Parte 4/5: Cajas reductoras/Palas
Parte 11: Técnicas para medir el ruido
Parte 12/13: Medición de desempeño de potencia/Cargas mecánicas
Parte 14: Nivel de ruido y tonalidad
Parte 21: Medición de la calidad de potencia
Parte 22: Ensayos de conformidad y certificación
Parte 23: Ensayo estructural de palas
Parte 24: Descargas atmosféricas
Parte 25: Comunicaciones
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ESTÁNDARES
IEC 61400 (cont.)
Parte 1: requerimientos de diseño esenciales para asegurar la integridad de la turbina.
Busca proveer un nivel adecuado de protección contra daños durante la vida útil de la turbina (20 años como mínimo).
Define las clases de turbinas en base a los regímenes de viento (condiciones externas) tratando de cubrir la mayor cantidad de sitios posibles.
Condiciones de viento normales: las que se espera ocurran durante la operación normal.
Condiciones de viento extremas: las que se espera ocurran con períodos de recurrencia de 1 año y de 50 años.
Excluye emplazamientos offshore y tormentas tropicales (huracanes, ciclones, tifones, etc.)
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ESTÁNDARES
IEC 61400 (cont.)
Clases de aerogeneradores
Son tres y queda definida por dos parámetros
Velocidad de viento de referencia (Vref)
Velocidad de viento promedio que soporta la turbina en el hub en un lapso de 10 min. y período de recurrencia de 50 años.
Promedio anual: 0.2Vref . Ráfagas: 1.4Vref (50 años) y 1.12Vref (1 año)
Intensidad de turbulencia (Iref )
Se define para una velocidad media del viento de 15 m/s en el hub.
La intensidad disminuye con el aumento de la velocidad del viento.
Es importante porque la mayor componente de la fatiga de la turbina es causada por la turbulencia.
Para lugares que no se ajustan a las clases I-III se define una clase especial S. Los parámetros los especifica el fabricante.
Clase I II III
Vref [m/s] 50 42.5 37.5
A Iref = 0.16
B Iref = 0.14
C Iref = 0.12
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ESTÁNDARES
IEC 61400 (cont.)
Clases de aerogeneradores (cont.)
Ejemplo: Serie 4 MW de Vestas
Velocidad media viento
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