diseño conceptual de un aerogenerador - tfg
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Trabajo de fin de grado (ETSIAE - UPM) titulado "Diseño conceptual de un aerogenerador"TRANSCRIPT
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA AERONÁUTICA Y DEL ESPACIO
GRADO EN INGENIERÍA AEROESPACIAL
TRABAJO FIN DE GRADO Diseño Conceptual de un Aerogenerador
AUTOR: Ricardo FERNÁNDEZ DE ALDAMA
ESPECIALIDAD: Vehículos Aeroespaciales
TUTOR ACADÉMICO: Cristóbal José GALLEGO CASTILLO
Julio de 2015
I
Tabla de contenido
Listado de figuras ............................................................................................................................................... II
Listado de tablas ................................................................................................................................................ IV
Nomenclatura ..................................................................................................................................................... V
CAPÍTULO 1 : Introducción .......................................................................................................................... ‐ 1 ‐
1.1. Introducción al trabajo ................................................................................................................... ‐ 1 ‐
1.2. El mercado de la energía eólica ..................................................................................................... ‐ 3 ‐
CAPÍTULO 2 : Norma IEC ............................................................................................................................ ‐ 7 ‐
2.1. Introducción................................................................................................................................... ‐ 7 ‐
2.2. Clases de aerogenerador ................................................................................................................ ‐ 8 ‐
2.3. Aerogeneradores semejantes ......................................................................................................... ‐ 9 ‐
CAPÍTULO 3 : Diseño aerodinámico del rotor ........................................................................................... ‐ 10 ‐
3.1. Introducción................................................................................................................................. ‐ 10 ‐
3.2. Selección de los perfiles aerodinámicos ...................................................................................... ‐ 11 ‐
3.3. Teoría de cantidad de movimiento (TCM) .................................................................................. ‐ 13 ‐
3.4. Teoría de elemento de pala (TEP). Factor de pérdidas ................................................................ ‐ 16 ‐
3.5. Combinación de la TCM y la TEP. Optimización....................................................................... ‐ 18 ‐
3.6. Resultados de la optimización ..................................................................................................... ‐ 21 ‐
CAPÍTULO 4 : Dimensionado del rotor y actuaciones básicas ................................................................... ‐ 25 ‐
4.1. Introducción................................................................................................................................ ‐ 25 ‐
4.2. Elección del radio. Curva de potencia ........................................................................................ ‐ 25 ‐
4.3. Estudio energético. Resultados ................................................................................................... ‐ 28 ‐
4.4. Control estacionario ................................................................................................................... ‐ 31 ‐
CAPÍTULO 5 : Configuración y dimensionado de componentes principales ............................................. ‐ 35 ‐
5.1. Introducción................................................................................................................................ ‐ 35 ‐
5.2. Componentes del aerogenerador ................................................................................................ ‐ 36 ‐
5.3. Estimación de masas .................................................................................................................. ‐ 37 ‐
5.4. Resultados .................................................................................................................................. ‐ 39 ‐
Conclusiones ................................................................................................................................................ ‐ 44 ‐
Bibliografía ................................................................................................................................................... ‐ 46 ‐
II
Listado de figuras
Figura 1.1 - Capacidad eólica total instalada hasta 2014. (Global Wind Energy Council, 2015) ................. - 2 -
Figura 1.2 - Capacidad eólica instalada nueva hasta 2014. (Global Wind Energy Council, 2015)............... - 2 -
Figura 1.3 - Capacidad eólica total instalada (izquierda) y capacidad instalada nueva (derecha) en 2014 por
países. (Global Wind Energy Council, 2015) ................................................................................................ - 3 -
Figura 1.4 - Incentivos e ingresos del sector eólico en España entre 2012 y 2014. –Nótese que aquí se usa la
coma como separador decimal–. (Asociación Empresarial Eólica , 2015) ................................................... - 4 -
Figura 1.5 - Cobertura de la demanda de energía eléctrica en la España peninsular en 2014. –Nótese que aquí
se usa la coma como separador decimal–. (Red Eléctrica de España, 2015) ................................................ - 5 -
Figura 3.1 - Representación de los perfiles utilizados. Donde c es la cuerda del perfil, y x e y son las
coordenadas locales del perfil, medidas desde el punto un cuarto de la cuerda. ......................................... - 11 -
Figura 3.2 - Coeficiente de sustentación de los perfiles utilizados en función del ángulo de ataque. ......... - 12 -
Figura 3.3 - Coeficiente de resistencia de los perfiles utilizados en función del ángulo de ataque. ............ - 12 -
Figura 3.4 - Volumen de control utilizado en la teoría de cantidad de movimiento (TCM). (Cuerva Tejero,
López García, & Gallego Castillo, 2014) .................................................................................................... - 14 -
Figura 3.5 - Flujo a través del rotor según la teoría de cantidad de movimiento. Velocidad y presión en el
tubo de corriente. (Burton, Sharpe, Jenkins, & Bossanyi, 2001) ................................................................ - 15 -
Figura 3.6 - Parámetros utilizados en la definición del problema aerodinámico. (Cuerva Tejero, López
García, & Gallego Castillo, 2014) ............................................................................................................... - 17 -
Figura 3.7 - Coeficiente de potencia en función del parámetro de operación. Señalados están el coeficiente de
potencia máximo y lambda óptima, de valores 0.517 y 8.48 respectivamente. .......................................... - 20 -
Figura 3.8 - Factores a, a' y f, en función de la coordenada radial adimensional. ....................................... - 21 -
Figura 3.9 - Representación de la cuerda adimensionalizada con el radio de la pala (cad = c/R). ............... - 22 -
Figura 3.10 - Ángulo de ataque a lo largo de la pala. Los valores son 6.49º hasta x=0.65, y 4.98º hasta el
final. La línea vertical une la discontinuidad. .............................................................................................. - 22 -
Figura 3.11 - Ángulo de incidencia de la corriente a lo largo de la pala. .................................................... - 23 -
Figura 3.12 - Torsión de la pala a lo largo de su envergadura. ................................................................... - 23 -
Figura 3.13 - Contribución al coeficiente de potencia de cada sección de la pala. ..................................... - 23 -
Figura 3.14 - Coeficiente de par aerodinámico (izquierda) y coeficiente de tracción (derecha), en función del
parámetro de operación. .............................................................................................................................. - 24 -
Figura 4.1 - Potencia nominal (izquierda) y potencia específica (derecha) frente al radio de distintos
aerogeneradores comerciales. ...................................................................................................................... - 26 -
Figura 4.2 - Curva de potencia del aerogenerador proyectado. ................................................................... - 27 -
III
Figura 4.3 - Número de Reynolds a lo largo de la pala a la velocidad de conexión. .................................. - 27 -
Figura 4.4 - Distribución de Weibull del viento en el emplazamiento estudiado. ....................................... - 28 -
Figura 4.5 - Curvas de nivel del COE. ........................................................................................................ - 30 -
Figura 4.6 - Curvas de nivel del FC. ........................................................................................................... - 30 -
Figura 4.7 - Mapa de actuaciones del coeficiente de potencia; P= ( , ). ............................................... - 32 -
Figura 4.8 - Mapa de actuaciones del coeficiente de par; Q= ( , ). ....................................................... - 33 -
Figura 4.9 - Mapa de actuaciones del coeficiente de tracción; T= ( , ). ................................................ - 33 -
Figura 4.10 - Velocidad de rotación del rotor en función de la velocidad del viento. ................................ - 33 -
Figura 4.11 - Parámetro de operación en función de la velocidad del viento. ............................................ - 33 -
Figura 4.12 - Coeficiente de potencia en función de la velocidad del viento. ............................................. - 34 -
Figura 4.13 - Ángulo de paso de control en función de la velocidad del viento. ........................................ - 34 -
Figura 5.1 - Componentes principales del aerogenerador SWT-3.6-107 de Siemens. (Siemens, s.f.) ........ - 35 -
Figura 5.2 - Tipos de multiplicadora y generador según el modelo de NREL. (Munuera, 2010) ............... - 39 -
Figura 5.3 - Masa total del aerogenerador para las distintas configuraciones propuestas. a: diseño avanzado.
b: diseño básico. .......................................................................................................................................... - 40 -
Figura 5.4 - Detalle de la masa total del aerogenerador para las distintas configuraciones propuestas. a:
diseño avanzado. b: diseño básico. .............................................................................................................. - 40 -
Figura 5.5 - Detalle del coste de la energía para las distintas configuraciones propuestas. a: diseño avanzado.
b: diseño básico. .......................................................................................................................................... - 41 -
Figura 5.6 - Distribución de masas de los componentes principales. .......................................................... - 41 -
Figura 5.7 - Distribución de masas de los subcomponentes del rotor. ........................................................ - 41 -
Figura 5.8 - Distribución de masas de los subcomponentes del tren de potencia. ...................................... - 42 -
IV
Listado de tablas
Tabla 1.1- Potencia para generación eléctrica en España. –Nótese que aquí se usa la coma como separador
decimal–. (Ministerio de Industria, Energía y Turismo, 2014) ..................................................................... ‐ 5 ‐
Tabla 2.1 - Clases de aerogeneradores según la norma IEC 61400-1. Parámetros básicos. (International
Electrotechnical Commission, IEC, 2005) .................................................................................................... ‐ 7 ‐
Tabla 2.2 - Características de aerogeneradores semejantes. .......................................................................... ‐ 9 ‐
Tabla 3.1 - Características de los perfiles utilizados. .................................................................................. ‐ 10 ‐
Tabla 3.2 - Valores obtenidos en la optimización aerodinámica. ................................................................ ‐ 21 ‐
Tabla 4.1 - Resultados del estudio energético. ............................................................................................ ‐ 30 ‐
Tabla 4.2 - Valores característicos del aerogenerador proyectado. ............................................................. ‐ 31 ‐
Tabla 5.1 - Datos del aerogenerador para el cálculo de masas. ................................................................... ‐ 37 ‐
Tabla 5.2 - Desglose de las masas de cada componente del aerogenerador proyectado. ............................ ‐ 43 ‐
V
Nomenclatura
α
ηm
ηe
λ
ν
Ω
ΩN
ϕ
ρ
σ
θ
θC
θG
A
a
a'
A∞
AW
AEP
b
C
c
cad
cd
cl
CP
CQ
CT
COE
D
E
f
fR
fT
fW
Ángulo de ataque de los perfiles
Rendimiento mecánico
Rendimiento eléctrico
Parámetro de operación
Viscosidad cinemática
Velocidad angular del rotor
Velocidad angular nominal del rotor
Ángulo de incidencia de la corriente
Densidad del aire
Solidez local del rotor
Ángulo de paso
Ángulo de paso de control
Torsión geométrica
Área del tubo de corriente en el plano del rotor
Factor de velocidad inducida axial
Factor de velocidad inducida tangencial
Área del tubo de corriente aguas arriba
Área del tubo de corriente aguas abajo
Producción energética anual del aerogenerador
Número de palas
Factor de escala de la función de Weibull
Cuerda del perfil
Cuerda adimensionalizada con el radio del rotor
Coeficiente de resistencia
Coeficiente de sustentación
Coeficiente de potencia
Coeficiente de par aerodinámico
Coeficiente de tracción
Coste de la energía
Resistencia aerodinámica
Energía producida
Factor de pérdidas
Factor de pérdidas en la raíz
Factor de pérdidas en la punta
Función de densidad de la distribución de Weibull
VI
FC
h
Heq
Iref
k
kmax
L
ṁ
NHIY
P
Pave
PN
Q
R
r
Re
S
SP
T
t
U
U∞
Uθ
UθW
Uθ|H1
Uin
UN
UN0
Uout
UR
UW
Vave
Vref
x
x
xR
y
Factor de capacidad
Altura de la torre
Horas equivalentes
Intensidad de turbulencia de referencia
Factor de forma de la función de Weibull
Eficiencia aerodinámica máxima del perfil
Sustentación
Gasto másico
Número de horas en un año
Potencia extraída por el rotor
Potencia media
Potencia nominal
Par aerodinámico
Radio del rotor
Coordenada radial del rotor
Número de Reynolds
Área barrida por el rotor
Potencia específica
Tracción
Espesor del perfil
Velocidad del aire en la sección del disco actuador
Velocidad del aire aguas arriba
Rotación de estela
Rotación de estela aguas abajo
Velocidad de rotación del aire en ejes ligados a una pala
Velocidad de conexión
Velocidad nominal
Velocidad a la que se alcanza la limitación por ruido
Velocidad de corte
Velocidad del viento resultante respecto sobre el perfil
Velocidad del aire aguas abajo
Velocidad media en el emplazamiento
Velocidad de referencia
Coordenada radial adimensional del rotor
Coordenada local del perfil en dirección de la cuerda
Posición radial de la primera sección considerada aerodinámica
Coordenada local del perfil en dirección perpendicular a la cuerda
Capítulo 1: Introducción
- 1 -
CAPÍTULO 1: Introducción
1.1. Introducción al trabajo
El trabajo que se presenta a continuación trata sobre el diseño conceptual de un aerogenerador de 3
MW de potencia para producción de energía eléctrica. Éste será diseñado para operar en un
emplazamiento con un perfil de velocidades del viento que se pueda aproximar por una distribución
de Weibull de factor de escala, C, igual a 5 m/s, y un factor de forma, k, igual a 2. Como restricción
adicional se impone que la velocidad en la punta de la pala no podrá exceder los 90 m/s, siendo este
tipo de restricción habitual para limitar el ruido generado por estas máquinas.
Se llama la atención sobre el hecho de que este emplazamiento es uno poco usual, ya que la velocidad
media del viento es muy baja. Sin embargo, como se explicará más adelante, hay cierta tendencia a
conseguir rentabilizar este tipo de ubicaciones, siendo esto un reto tecnológico muy importante para
las empresas del sector en el que el diseño de las máquinas juega un papel primordial.
El objetivo fundamental en el diseño de un aerogenerador será la necesidad de equilibrar un bajo
coste inicial de la máquina con el requerimiento de que tenga una vida útil larga (alrededor de los
veinte años) sin riesgo de rotura, por ejemplo por fatiga.
Se comienza, en la sección 1.2, con una introducción concisa acerca de la situación actual del sector
eólico tanto a nivel internacional como en España.
El capítulo 2 tratará sobre la norma aplicable a esta clase de aerogeneradores, así como la
caracterización del emplazamiento en el cual se situará. Esencial también será el estudio de
aerogeneradores comerciales semejantes que darán una idea de las decisiones de diseño reales
tomadas por otros fabricantes.
La aerodinámica (capítulo 3) será el primer paso en el diseño. Se elegirá la distribución de perfiles a
lo largo de la pala y se optimizará su geometría para así lograr el mayor rendimiento aerodinámico
posible, empleando para ello modelos teóricos bidimensionales basados en la mecánica de fluidos.
Capítulo 1: Introducción
- 2 -
En el capítulo 4 se procederá al dimensionado de la pala y al estudio de sus actuaciones, ateniéndose
a la restricción por ruido. Se obtendrá la curva de potencia característica de estas máquinas así como
las leyes de control para la operación del aerogenerador. Se presentará además un valor aproximado
del coste de la energía.
Para finalizar se estudiará la masa de los diversos componentes del aerogenerador (capítulo 5) según
algunas decisiones de la configuración del aerogenerador, utilizando para ello un modelo publicado
por el laboratorio nacional de energía renovable de los Estados Unidos (NREL), que se describirá en
cierto detalle.
Como nota aclaratoria, se comenta que se tomarán el punto como separador decimal en todas las
cifras y figuras incluidas en el texto a menos que se indique lo contrario. Los resultados redondeados
se presentarán con tres cifras significativas.
Todos los resultados numéricos y gráficas se han obtenido mediante la implementación en
MATLAB® de las ecuaciones y modelos expuestos en este documento.
Figura 1.1 - Capacidad eólica total instalada hasta 2014. (Global Wind Energy Council, 2015)
Figura 1.2 - Capacidad eólica instalada nueva hasta 2014. (Global Wind Energy Council, 2015)
Capítulo 1: Introducción
- 3 -
Por último señalar que el aerogenerador proyectado es uno de eje horizontal y tres palas. Siendo esta
la decisión de diseño preferida para aerogeneradores de gran potencia. Se puede encontrar una
justificación de esta decisión en la sección 4.1.2 de (Burton, Sharpe, Jenkins, & Bossanyi, 2001), o
en la sección 7.3.9 de (Manwell, McGowan, & Rogers, 2009).
1.2. El mercado de la energía eólica
Para justificar la relevancia del estudio del diseño de aerogeneradores, a continuación se analiza
brevemente la situación del mercado de la energía eólica en el mundo con especial hincapié en la
realidad española.
Como se aprecia en la figura 1.1, el sector eólico mundial es uno en rápido crecimiento, incluso a
pesar de la crisis económica de 2008. En la figura 1.2 se observa además que el crecimiento ha sido
acelerado, excepto en 2013, y previsiblemente seguirá siéndolo.
Figura 1.3 - Capacidad eólica total instalada (izquierda) y capacidad instalada nueva (derecha) en 2014 por países. (Global Wind Energy Council, 2015)
Capítulo 1: Introducción
- 4 -
En los últimos años el primer país por potencia nueva instalada ha sido la República Popular China,
con mucha diferencia (véase la figura 1.3). Además, desde 2010 se ha posicionado también primera
por potencia instalada total, seguida por los Estados Unidos.
También cabe destacar el caso de Dinamarca; que al ser un país pequeño no aparece en las figuras
mostradas, pero que, por ejemplo, a fecha de 2012 ha sido el primer país en potencia instalada per
cápita, casi doblando a Alemania y teniendo más del triple que los Estados Unidos 1. Destaca también
este país por tener una de las mayores sino la mayor empresa del mundo de fabricación, venta,
instalación y mantenimiento de aerogeneradores: Vestas Wind Systems A/S.
España se mantiene en el cuarto puesto en potencia instalada total, pero desaparece de la lista de
mayores instaladores; habiendo instalado únicamente 28 MW en 2014, y cero en el primer semestre
de 20152 3. Este cambio de tendencia en el sector en España se puede explicar en parte por la Reforma
Energética de 2013, que desincentiva el crecimiento de la industria en el país (véase la figura 1.4) y
contra cuya norma se han presentado más de 400 recursos en el Tribunal Supremo4.
Por otro lado en 2013 en España la eólica fue la tecnología que más aportó a la cobertura de la
demanda eléctrica en un año completo5, y la segunda en 2014, produciendo ambos años
aproximadamente el 20% del total (figura 1.5).
1 (Shahan, 2013) 2 (Global Wind Energy Council, 2015) 3 (Asociación Empresarial Eólica, 2015) 4 (Asociación Empresarial Eólica , 2015) 5 (Asociación Empresarial Eólica, 2014)
Figura 1.4 - Incentivos e ingresos del sector eólico en España entre 2012 y 2014. –Nótese que aquí se usa la coma como separador decimal–. (Asociación Empresarial Eólica , 2015)
Capítulo 1: Introducción
- 5 -
De cara al futuro, se prevé que el sector eólico en España siga creciendo para cumplir con los
compromisos comunitarios, en concreto con la Directiva Europea de Renovables 2009/28/CE. De
este modo, el Ministerio de Industria, Energía y Turismo preveía a fecha Noviembre de 2014 un
aumento de la potencia instalada de casi 6.5 GW para 2020 (tabla 1.1).
En lo que respecta al diseño particular que se va a realizar, comentar que actualmente la investigación
orientada al diseño de aerogeneradores para emplazamientos de estas características (i.e. de
velocidades medias del viento bajas) está en auge, debido a la necesidad de producir máquinas
rentables según se reduce la accesibilidad a ubicaciones más favorables y mientras sigue aumentando
la demanda de energía eólica. Y esta tendencia previsiblemente continuará, ya que, como se ha visto,
la industria eólica mundial ha experimentado una evolución muy positiva durante los últimos años,
Figura 1.5 - Cobertura de la demanda de energía eléctrica en la España peninsular en 2014. –Nótese que aquí se usa la coma como separador decimal–. (Red Eléctrica de España, 2015)
Tabla 1.1- Potencia para generación eléctrica en España. –Nótese que aquí se usa la coma como separador decimal–.
(Ministerio de Industria, Energía y Turismo, 2014)
Capítulo 1: Introducción
- 6 -
motivada principalmente por el creciente apoyo e interés por las fuentes de energía de tipo renovable,
y por la evolución técnica que ha facilitado el buen aprovechamiento energético del recurso eólico,
que además ha acarreado un importante descenso en los costes de fabricación y desarrollo de los
aerogeneradores, permitiendo a la eólica erigirse como la principal fuente de energía renovable.
Capítulo 2: Norma IEC
- 7 -
CAPÍTULO 2: Norma IEC
2.1. Introducción
En este capítulo se hará una pequeña introducción a la norma IEC de cara a su aplicación en el diseño
de aerogeneradores. Se expondrán además algunos de los datos técnicos más relevantes de
aerogeneradores semejantes al estudiado (i.e. de potencia cercana a los 3 000 kW).
La Comisión Electrotécnica Internacional (IEC por sus siglas en inglés) es una organización a nivel
global cuyo objetivo es la estandarización en materia concerniente a la electrónica y la electricidad.
Mediante publicaciones se encarga de transmitir recomendaciones de uso internacional, las cuales
son aceptadas por los Comités Nacionales de la IEC (e.g. Aenor en España)
La norma IEC 61400 trata únicamente sobre aerogeneradores y está dividida en varias partes,
incluyendo diseño, certificación, ensayos de cargas o modelos de simulación. La parte que concierne
al trabajo es la parte uno, que trata sobre los requerimientos de diseño del aerogenerador. Este
documento es de 2005, y fue enmendado en 2010. Su denominación oficial es: IEC 61400-
1:2005+AMD1:2010.
El objetivo del documento es asegurar la integridad ingenieril de los aerogeneradores durante toda su
vida útil, no debiéndose aplicar como un manual de instrucciones, por lo que deja en manos de los
fabricantes la posibilidad de alterarlos si se puede demostrar que la seguridad no se ve comprometida.
Debe complementarse con los estándares ISO apropiados y otras normas IEC, que son referenciados
en el texto (e.g. ISO 9001 para la gestión de la calidad, o ISO 2394 para análisis estructural). Nótese
que esta normativa no aplica para aerogeneradores offshore (emplazados en el mar), teniendo éstos
una parte propia para sus requerimientos de diseño: la IEC 61400-3:2009.
Tabla 2.1 - Clases de aerogeneradores según la norma IEC 61400-1. Parámetros básicos. (International Electrotechnical Commission, IEC, 2005)
Clase del aerogenerador I II III S Vref (m/s) 50 42.5 37.5 Valores
especificados por el
diseñador
A Iref (-) 0.16 B Iref (-) 0.14 C Iref (-) 0.12
Capítulo 2: Norma IEC
- 8 -
2.2. Clases de aerogenerador
Tras las introducciones y definiciones, la norma pasa a describir las condiciones externas
(ambientales y eléctricas) a tener en cuenta en el diseño, dividiéndolas en condiciones normales y
extremas. Estas condiciones dependerán del perfil de vientos en el emplazamiento del aerogenerador,
y, por tanto, la norma establece varias clases de aerogenerador en función de dos parámetros del
viento: su velocidad de referencia, y la intensidad de turbulencia (tabla 2.1).
La velocidad de referencia (Vref) es el valor máximo de la velocidad del viento, promediada en
intervalos de 10 minutos, medida a la altura del buje y con un periodo de recurrencia de 50 años.
La intensidad de turbulencia de referencia (Iref) es aquella turbulencia esperada a la altura del buje
cuando la velocidad del viento, promediada en un intervalo de 10 minutos, sea de 15 m/s.
En el caso estudiado en este trabajo, con los datos de partida de la distribución de viento (C=5 m/s y
k=2), se puede calcular según la norma la velocidad media en el emplazamiento, Vave, mediante la
ecuación:
π/2 (1)
Que resulta en una velocidad media de 6.27 m/s. Nótese que esta ecuación es válida por ser k=2, si
no lo fuera haría falta evaluar la función gamma (Γ) lo cual no es sencillo y requiere de las mediciones
de viento en el emplazamiento.
También según la norma, la velocidad de referencia necesaria para definir la clase del aerogenerador
es tal que:
0.2 (2)
Por tanto, la velocidad de referencia resulta 31.3 m/s. Este valor es notablemente bajo, por lo que lo
más razonable parece ser proyectar el generador para que sea de clase III o incluso clase S. Como en
este trabajo no se aborda el análisis estructural del aerogenerador, se deja el análisis detallado y la
decisión final para estudios posteriores.
Capítulo 2: Norma IEC
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2.3. Aerogeneradores semejantes
Al ser este trabajo un diseño preliminar algunas de las decisiones no podrán ser enteramente
argumentadas y se recurrirá entonces a los datos publicados de aerogeneradores semejantes para
justificarlas.
En la tabla 2.2 se muestran los valores característicos de varios aerogeneradores comerciales de
potencia nominal similar a la estudiada, a los que se hará referencia a lo largo del trabajo. Se observa
que estos valores no varían considerablemente entre unos aerogeneradores y otros. Se hace notar que
los dos valores mostrados en la velocidad de giro corresponden a la mínima y la máxima velocidad
angular del rotor, no habiéndose encontrado la mínima para la máquina de Acciona.
Tabla 2.2 - Características de aerogeneradores semejantes.1
Aerogenerador AW-3000/125 122/3000 G114/2500 FWT3000/120 V112/3300 Fabricante Acciona Alstom Gamesa FWT Vestas
Clase IIIA IIIA/IIB IIA IIA IB/IIA Potencia nominal [kW] 3000 3000 2500 3000 3300
Diámetro [m] 125 122 114 120 112 Área barrida [m2] 12300 11700 10200 11300 9850
Potencia específica [W/m2] 244 257 245 265 335 Velocidad de giro [rpm] ≤13.2 7.10 - 12.3 7.70 - 14.6 6.00 - 16.0 6.20 - 17.7
Velocidad de conexión [m/s] 3.5 3 2 3 3 Velocidad nominal [m/s] 12 10.5 10 12 13 Velocidad de corte [m/s] 25 25 25 25 25
Altura de la torre [m] 120 89/139 80/125 90/140 84/140
Capítulo 3: Diseño aerodinámico del rotor
- 10 -
CAPÍTULO 3: Diseño aerodinámico del rotor
3.1. Introducción
La función principal del aerogenerador es convertir la energía cinética del aire en energía mecánica
en el eje del rotor, la cual será transformada en energía eléctrica. El estudio aerodinámico del rotor
estará encaminado a maximizar la energía –y por tanto la potencia– extraída del aire. Para ello se
empleará el coeficiente de potencia, CP, que representa la cantidad de potencia útil extraída respecto
a la contenida en el aire aguas arriba del rotor, evaluando así la eficiencia del rotor.
Una vez elegida la distribución de perfiles aerodinámicos que se va a usar, se optimizará la geometría
de las palas del rotor (leyes de torsión y cuerdas) de modo que el coeficiente de potencia sea máximo.
Para caracterizar este coeficiente, y los parámetros de los que depende, será necesario recurrir a
modelos simplificados del problema aerodinámico. En concreto, se combinarán dos teorías; la teoría
de cantidad de movimiento (TCM) y la teoría de elemento de pala (TEP), corregidas según el modelo
de Prandtl
Las simplificaciones de partida de estos modelos son: considerar el viento de velocidad y densidad
uniformes aguas arriba del rotor (simetría azimutal) –siendo la densidad del aire de valor 1.225 kg/m3
en todos los cálculos–, se supone además flujo incompresible y cuasi-estacionario, número de
Reynolds alto –despreciando así los términos viscosos–, y se admite que el rotor no induce velocidad
radial en el fluido (para considerar los efectos tridimensionales en las palas se usará la corrección de
Prandtl).
Para terminar, señalar que recientemente el diseño del rotor no se orienta a maximizar el CP, sino a
minimizar el coste de la energía (COE). Se parte de un rotor aerodinámicamente lo más eficiente
posible, y se modifica mediante un enfoque multidisciplinar que incluye la caracterización completa
Tabla 3.1 - Características de los perfiles utilizados.
Perfil Posición kmax t/c [%] αopt [º] DU-40 xR ≤ x < 0.65 68.4 40 6.49
NACA63618 0.65 ≤ x ≤ 1 174 18 4.98
Capítulo 3: Diseño aerodinámico del rotor
- 11 -
del viento, modelos aerodinámicos complejos y modelos estructurales de los componentes
principales. Este enfoque ha resultado en menores coeficientes de potencia, pero con cargas mucho
menores y menor COE. En este trabajo no se disponen de las herramientas para realizar estos estudios,
y se opta por el enfoque clásico de maximizar la energía extraída al aire, lo que es suficientemente
válido para un diseño conceptual.
3.2. Selección de los perfiles aerodinámicos
El criterio básico a la hora de seleccionar los perfiles aerodinámicos es maximizar el coeficiente de
potencia, que será mayor cuanto mayor sea la eficiencia aerodinámica, cl/cd, de los perfiles. Se verá
más adelante que los perfiles trabajarán en condiciones de diseño a ángulo de ataque constante, por
tanto lo que interesan son perfiles con eficiencia aerodinámica máxima, kmax, alta. Sin embargo, es
preciso que los perfiles en las secciones cercanas al buje tengan espesores altos –permitiendo así
introducir mayor cantidad de refuerzo estructural–, por estar estas secciones sometidas a cargas
mayores. Utilizar perfiles delgados en las zonas menos cargadas (i.e. cerca de la punta) permite
además reducir peso.
Para elegir los perfiles se ha utilizado una base de datos con una veintena de perfiles representativos
usados en aerogeneradores, aunque cabe destacar que para uso comercial las empresas suelen
desarrollar sus propios perfiles cuyas características no son de dominio público.
Figura 3.1 - Representación de los perfiles utilizados. Donde c es la cuerda del perfil, y x e y son las coordenadas locales del perfil, medidas desde el punto un cuarto de la cuerda.
Capítulo 3: Diseño aerodinámico del rotor
- 12 -
Se hace necesario definir la una sección de la pala considerada la primera sección aerodinámica, y
cuya posición en forma adimensional se denominará xR. Esta sección es tal que las secciones entre
ésta y el encastre de la pala con el buje no se considerarán secciones aerodinámicas, siendo esto
preciso para reflejar la necesidad de modificar la geometría de la pala para acomodarse a la unión con
el buje. En este trabajo esta sección estará situada al 5% de la longitud de la pala.
Así, desde xR hasta el 65% del radio –esto es, desde x=0.05 hasta x=0.65, siendo x la posición radial
adimensional x=r/R– se utiliza el perfil DU-40 (desarrollado por la Universidad Técnica de Delft), y
del 65% hasta la punta el NACA63618 (desarrollado por el Comité Consejero Nacional para la
Aeronáutica de los Estados Unidos, precursor de la NASA). Sus características se encuentran en la
tabla 3.1. Ambos tienen alta eficiencia aerodinámica relativa a su espesor, en comparación con los
otros perfiles consultados. Nótese que el espesor relativo a la cuerda, t/c, del perfil cerca del encastre
es notablemente mayor al del perfil en la punta, como se comprueba en la representación de los
perfiles en la figura 3.1.
A la hora de seleccionar estos perfiles para su uso en aerogeneradores se han considerado además
otros factores. Específicamente, interesa que la suciedad acumulada en el borde de ataque durante la
vida útil no afecte demasiado a las propiedades aerodinámicas de los perfiles. Interesa también que
los perfiles proporcionen alta rigidez, para reducir peso y mantener la geometría. Por último, es de
interés que las características aerodinámicas no varíen mucho con el ángulo de ataque en las
condiciones de operación, reduciendo así inestabilidades frente a ráfagas de viento.
Figura 3.2 - Coeficiente de sustentación de los perfiles
utilizados en función del ángulo de ataque. Figura 3.3 - Coeficiente de resistencia de los perfiles
utilizados en función del ángulo de ataque.
Capítulo 3: Diseño aerodinámico del rotor
- 13 -
Las características aerodinámicas de los perfiles empleados se muestran en las figuras 3.2 y 3.3. Se
hace notar que los valores de los coeficientes aerodinámicos mostrados son resultados experimentales
a alto número de Reynolds, Re, y podrían varían si se estudiaran los perfiles a otro Re. Sin embargo,
a números de Reynolds altos las variaciones son pequeñas, y, como se demostrará en el segundo
apartado del capítulo 4, las palas operarán siempre a Re altos. Se llama también la atención sobre la
entrada en pérdida sostenida para un amplio intervalo de ángulos de ataque que presenta el perfil
NACA.
El cambio instantáneo de perfil de una sección a otra, al tener éstos diferentes propiedades
aerodinámicas, generará un cambio brusco en la cuerda y la torsión de la pala óptima, como se verá
más adelante. Estos saltos producirían interacciones aerodinámicas tridimensionales en la pala, lo
cual afectaría negativamente a la operación, además de ser una complicación añadida en la fabricación
del rotor. Para evitar esto se utilizan los denominados perfiles de transición, de forma que se suavizan
las variaciones de perfil. En este trabajo no se van a emplear estos perfiles de transición, pero se
supone que los resultados serían muy parecidos (previsiblemente el aerogenerador sería algo menos
eficiente).
3.3. Teoría de cantidad de movimiento (TCM)
En este modelo el rotor se idealiza como un disco actuador (o disco poroso), y se toma un volumen
de control de espesor diferencial dr, que en el plano del rotor se encuentra a una distancia r del buje,
y que abarca desde el infinito aguas abajo hasta el infinito aguas arriba, coincidiendo con un tubo de
corriente (figura 3.4). Descriptivamente, lo que le ocurre al flujo a través del disco es que hay un
salto de presiones, mientras que la velocidad desciende de forma continua, como se observa en la
figura 3.5.
En este modelo se empieza por aplicar la ley de conservación de la masa al tubo de corriente completo,
resultando, al suponer que no hay velocidad radial, que el gasto másico, ṁ, que atraviesa cada sección
del tubo debe ser el mismo:
(3)
Capítulo 3: Diseño aerodinámico del rotor
- 14 -
Donde el subíndice ∞ se refiere a las condiciones aguas arriba del rotor y el subíndice W se refiere a
las condiciones aguas abajo (en la estela, wake en inglés), siendo U y A la velocidad y el área del tubo
de corriente en el plano del rotor (se recuerda que el fluido se supone incompresible, por lo que la
densidad del aire, ρ, es igual en todas las secciones).
Para relacionar la velocidad aguas arriba con la del rotor se introduce el factor de velocidad inducida
axial, a, de forma que el producto de a y la velocidad aguas arriba equivale a lo que se frena el aire
hasta que llega al rotor. La relación resulta:
1 (4)
Asimismo se puede demostrar6 que la pérdida de velocidad desde el rotor hasta el infinito aguas abajo
es la misma que desde el infinito aguas arriba hasta el rotor. Quedando por tanto:
1 2 (5)
De forma análoga se define el factor de velocidad inducida tangencial, a', para describir la rotación
inducida en el aire por la rotación del rotor –llamada rotación de estela–. El producto de este factor,
la velocidad angular del rotor y la posición radial resulta en la rotación de estela a la altura del rotor:
′Ω (6)
Y aguas abajo7:
6 La demostración se basa en la conservación de la cantidad de movimiento y la ecuación de Bernoulli. La demostración completa se puede encontrar en el capítulo 3, sección 3.2.1 del libro (Burton, Sharpe, Jenkins, & Bossanyi, 2001) 7 De nuevo, ver (Burton, Sharpe, Jenkins, & Bossanyi, 2001) sección 3.3.2.
Figura 3.4 - Volumen de control utilizado en la teoría de cantidad de movimiento (TCM). (Cuerva Tejero, López
García, & Gallego Castillo, 2014)
Capítulo 3: Diseño aerodinámico del rotor
- 15 -
2 ′Ω (7)
Así, se podría calcular la potencia (y por tanto el CP) en el rotor, pero en función de los factores a y
a'. Para determinar la expresión del CP en función de los parámetros que interesan (cuerda y torsión
geométrica), se combinará la TCM con la teoría de elemento de pala mediante las expresiones del
diferencial de tracción y de par aerodinámico. A continuación se hallan estas expresiones para la
TCM.
Se calcula la tracción, según la ecuación de cantidad de movimiento lineal aplicada al volumen de
control anteriormente descrito:
(8)
Donde cml es el vector cantidad de movimiento lineal. En forma diferencial y dirección axial queda:
1 2 d d d (9)
Y, por tanto:
2 (10)
Siendo kH el vector unitario en la dirección del viento (ver la figura 3.4), y T la tracción ejercida por
el rotor sobre el aire.
Para el par aerodinámico se emplea la conservación de la cantidad de movimiento angular:
(11)
Figura 3.5 - Flujo a través del rotor según la teoría de cantidad de movimiento. Velocidad y presión en el tubo de
corriente. (Burton, Sharpe, Jenkins, & Bossanyi, 2001)
Capítulo 3: Diseño aerodinámico del rotor
- 16 -
Siendo la cantidad de movimiento angular, cma, nula en el infinito aguas arriba, y suponiendo que el
rotor gira en el sentido de kH:
2Ω d 0 d (12)
Ergo:
2Ω d d (13)
Así, expresando la potencia como el par aerodinámico por la velocidad angular del rotor, y
sustituyendo el gasto másico según (3) y (4):
d Ωd 2Ω d 4 Ω 1 d (14)
Que en forma adimensional proporciona el coeficiente de potencia que se busca. Se presenta además
el denominado parámetro de operación, λ; definido como la velocidad de la sección más exterior de
la pala, (ΩR), entre la velocidad de la corriente incidente, (U∞). Se recuerda que x es la posición radial
adimensionalizada con el radio del rotor.
Ω
(15)
dd
12
8λ 1 d (16)
En la expresión (16), a y a' son incógnitas, mientras que λ será considerado un parámetro (aunque
finalmente se optimizará para obtener el máximo CP), y x será variable de integración.
3.4. Teoría de elemento de pala (TEP). Factor de pérdidas
Para resolver el problema aerodinámico la TCM no es suficiente, ya que las velocidades inducidas
siguen siendo desconocidas y no aparecen las características constructivas de las palas. Se introduce
así la teoría de elemento de pala, donde se deja de suponer el rotor como un disco actuador y se
estudian las propiedades aerodinámicas de las palas.
Se puede definir la sustentación de cada pala como:
d12
d (17)
Y la resistencia aerodinámica:
Capítulo 3: Diseño aerodinámico del rotor
- 17 -
d12
d (18)
Donde c es la cuerda en cada sección y UR es la velocidad resultante sobre la pala en ejes ligados al
rotor (ver la figura 3.6). Usando el ángulo de incidencia de la corriente, ϕ, para proyectar estas fuerzas
en la dirección perpendicular al plano del rotor, se obtiene el diferencial de tracción, dT, que ejerce
el aire sobre la pala), y, proyectadas en la dirección del movimiento de la pala y multiplicadas por la
posición radial, dan el par aerodinámico sobre la pala, dQ, (figura 3.6). Multiplicando estos valores
por el número de palas, b, se obtienen los resultados para el rotor completo. Así, el diferencial de
tracción es:
d12
cos sen d (19)
Y el de par aerodinámico:
d12
sen cos d (20)
Los modelos usados hasta ahora funcionan bien para la mayor parte de la pala, pero empiezan a fallar
en las proximidades del buje y de la punta de las palas. Esto es debido a los efectos tridimensionales
que no contemplan la TCM ni la TEP, y que, al tener que cumplirse la condición de Kutta, provocan
la aparición de torbellinos aguas abajo difíciles de caracterizar. Por esto, se emplea la corrección de
Figura 3.6 - Parámetros utilizados en la definición del problema aerodinámico. (Cuerva Tejero, López García, & Gallego
Castillo, 2014)
Capítulo 3: Diseño aerodinámico del rotor
- 18 -
Prandtl de pérdidas en punta de pala según la implementó Sharpe. Esta es una corrección sencilla,
pero que se ajusta bastante bien a la realidad, y puede ser aplicada análogamente a las pérdidas en la
raíz de la pala.8
De este modo, se define el factor de pérdidas, f, como el producto de las pérdidas en la punta, fT, y en
la raíz, fR. Siendo éstas:
2arccos exp
21
sen (21)
2arccos exp
21
sen (22)
Y:
(23)
Donde rR es la coordenada radial de la primera sección considerada aerodinámica, medida desde el
centro del rotor. Este factor se introduce para corregir las velocidades inducidas, quedando la
velocidad perpendicular al rotor:
1 (24)
Y la velocidad de rotación del aire en ejes ligados a una pala:
| Ω 1 (25)
Donde el subíndice H1 refiere a ejes ligados a la pala, usando la nomenclatura de la figura 3.6. Por
tanto, ahora tanto la velocidad resultante sobre la pala, UR, como el ángulo de incidencia de la
corriente, ϕ (y por tanto el ángulo de ataque, α), serán funciones de a, a' y f.
3.5. Combinación de la TCM y la TEP. Optimización
Ahora, igualando las expresiones del diferencial de tracción y de par aerodinámico de las dos teorías,
junto a la definición del factor f, se obtiene un sistema de tres ecuaciones, que actuarán como
restricciones en el problema de optimización de la eficiencia del rotor.
Adimensionalizando las tres ecuaciones e igualándolas a cero:
8 Fuente: (Burton, Sharpe, Jenkins, & Bossanyi, 2001) sección 3.3.8.
Capítulo 3: Diseño aerodinámico del rotor
- 19 -
, , 18
cos sen 0 (26)
, , 18
sen cos 0 (27)
, ,2
arccos exp2
1sen
arccos exp2
1sen
0
(28)
Donde σ es la denominada solidez local del rotor, definida como:
(29)
Se puede abordar ya el problema de optimización; donde para un parámetro de operación λ, se trata
de maximizar la contribución al CP de cada sección. Una forma de resolver este problema no lineal
es mediante multiplicadores de Lagrange, usando las ecuaciones (26), (27) y (28) como restricciones.
A continuación se muestra una parte del desarrollo del que se extrae una conclusión relevante.
Primero, se combinan las ecuaciones (26) y (27) eliminando el parámetro de solidez. Se definen así
las dos restricciones resultantes:
sen cos cos sen 0 (30)
Y:
2arccos exp
21
sen
arccos exp2
1sen
0 (31)
Siendo k(α) la eficiencia aerodinámica (i.e. cl/cd). A continuación se define el funcional a resolver,
donde m1 y m2 son los multiplicadores de Lagrange:
dd
(32)
Donde, se recuerda, dCP/dx según la TCM vale:
dd
8λ 1 (33)
Capítulo 3: Diseño aerodinámico del rotor
- 20 -
El objetivo es maximizar el funcional F respecto a todas las variables implicadas (i.e. a, a', f, α, m1 y
m2). Se estudia aquí únicamente la derivada respecto de α:
dd
sen cos 0 (34)
De lo que se extrae que: o bien la derivada de k con x es cero, o lo es el término entre paréntesis. Se
puede demostrar que el segundo enunciado sólo es cierto si el coeficiente de resistencia de la pala
fuese nulo9, cosa que nunca va a pasar. Por tanto, se cumple que, para cada tipo de perfil, la eficiencia
aerodinámica debe ser la misma en cada sección, y, por tanto, lo será también el ángulo de ataque.
Finalmente, interesa que la eficiencia aerodinámica sea máxima, por lo que se concluye que todas las
secciones de la pala deben operar a ángulo de ataque óptimo.
Se resuelve el problema de forma iterativa con una herramienta de cálculo, y se obtienen finalmente
los valores de todas las variables en cada sección, de forma que el rotor sea el óptimo. Integrando
sobre todas las secciones se obtienen los coeficientes globales (CP, CQ y CT).
El último paso de la optimización es repetir los cálculos para cada valor del parámetro de operación,
λ, y encontrar así el coeficiente de potencia máximo de los máximos. Al parámetro de operación que
proporciona este valor se le denominará lambda óptima (λopt). El resultado de este procedimiento se
representa en la figura 3.7.
9 Fuente: (Cuerva Tejero, López García, & Gallego Castillo, 2014)
Figura 3.7 - Coeficiente de potencia en función del parámetro de operación. Señalados están el coeficiente de potencia
máximo y lambda óptima, de valores 0.517 y 8.48 respectivamente.
Capítulo 3: Diseño aerodinámico del rotor
- 21 -
3.6. Resultados de la optimización
Los resultados principales de la optimización se muestran en la tabla 3.2. Cabe comentar que el
coeficiente de potencia obtenido es alto (su valor típicamente suele estar entre 0.45 y 0.5), pero menor
que el límite teórico (límite de Betz) correspondiente a un rotor de infinitas palas sin resistencia, que
es 0.593. Destacar que este límite teórico no se debe a un diseño imperfecto, sino a la expansión del
tubo de corriente al acercarse al rotor, por estar el coeficiente adimensionalizado con el área del rotor
en lugar de con el área del tubo de corriente en el infinito aguas arriba.
También se obtienen los valores de todas las variables en cada sección; en concreto se pueden dibujar
a, a' y f en cada sección (figura 3.8). Se hace notar que el factor de velocidad inducida axial, a, apenas
supera el valor 0.3. Si fuera mayor –superior a 0.35 o 0.4– implicaría que la turbulencia tras el rotor
comienza a ser significativa (el rotor frena tanto el fluido que parte de éste circula aguas arriba), y el
modelo de la TCM dejaría de considerarse válido. Haría falta entonces introducir algún modelo
empírico como los propuestos por Glauert o Lissaman para corregir las expresiones de la TCM. Por
otro lado, el valor de a cae rápidamente a cero en la raíz y en la punta, como debería por los efectos
tridimensionales mencionados anteriormente.
La forma que toma el factor de velocidad inducida tangencial, a', que se asemeja a una hipérbola,
junto a su expresión según la ecuación (6) (despejando y sustituyendo), hace ver que la rotación de
estela no es proporcional a la posición radial, sino que la velocidad angular de la estela resulta
Tabla 3.2 - Valores obtenidos en la optimización aerodinámica.
CPmax λopt CQopt CTopt 0.517 8.48 0.0609 0.854
Figura 3.8 - Factores a, a' y f, en función de la coordenada radial adimensional.
Capítulo 3: Diseño aerodinámico del rotor
- 22 -
notablemente mayor en las proximidades del buje que en la punta. La expresión indicada es:
Ω
1 (35)
El factor de pérdidas, f, vale casi la unidad en gran parte de la pala, y decrece en la raíz y la punta,
como cabía esperar, forzando así que el factor a tome la forma correcta.
El proceso de optimización fija además la geometría óptima de la pala (i.e. cuerda y torsión). Se
representa la ley de cuerda adimensional, cad=c/R, fruto de la optimización en la figura 3.9. Obsérvese
el parecido de la forma de la pala con la de palas comerciales, a falta de las secciones de unión con el
buje.
La torsión, θG, de la pala es tal que se cumpla:
(36)
Como se vio anteriormente, el ángulo de ataque es constante en todas las secciones formadas por un
tipo de perfil, por lo que queda definido como dos rectas discontinuas (ver la figura 3.10). Por su
parte, el ángulo de incidencia de la corriente toma la forma que se ve en la figura 3.11, al poder
expresarse como:
Figura 3.9 - Representación de la cuerda adimensionalizada con el radio de la pala (cad = c/R).
Figura 3.10 - Ángulo de ataque a lo largo de la pala. Los valores son 6.49º hasta x=0.65, y 4.98º hasta el final. La línea vertical
une la discontinuidad.
Capítulo 3: Diseño aerodinámico del rotor
- 23 -
tan1
Ω 1
1
(37)
De este modo, la torsión resulta de la forma mostrada en la figura 3.12. Nótese el pequeño salto en
x=0.65, donde está el cambio de perfil. La cuerda también debería experimentar un salto en esa
sección, pero se ha elegido la distribución de perfiles de forma que fuera poco acusado.
Se puede estudiar la contribución de cada sección al coeficiente de potencia mediante su derivada,
representada en la figura 3.13, siendo el valor del coeficiente el área encerrada bajo la curva. Queda
patente que las secciones más alejadas del encastre son las que más aportan, al moverse a mayor
velocidad. También cabe destacar que al cambiar del perfil de gran espesor al de mayor eficiencia
aerodinámica, aumenta instantáneamente la contribución al CP.
Figura 3.13 - Contribución al coeficiente de potencia de cada sección de la pala.
Figura 3.11 - Ángulo de incidencia de la corriente a lo largo de la pala.
Figura 3.12 - Torsión de la pala a lo largo de su envergadura.
Capítulo 3: Diseño aerodinámico del rotor
- 24 -
Los coeficientes de par aerodinámico y de tracción, al igual que el de potencia, son funciones del
parámetro de operación. Esta dependencia está representada en la figura 3.14, y su valor para λopt se
encuentra en la tabla 3.2. Se observa en la figura que el parámetro de operación que maximiza CQ no
coincide con λopt. Se recuerda que lo que interesa en un aerogenerador es maximizar el CP, y no el
CQ, aumentando así la producción energética. Que el máximo de CP esté más retrasado se manifiesta
observando la siguiente expresión, derivada de la primera igualdad de la ecuación (14):
(38)
Por otro lado, el coeficiente de tracción sólo crece con el parámetro de operación. Interesa que este
coeficiente no tome valores muy elevados, ya que es proporcional a la fuerza que soporta la torre a la
altura del buje, y genera un momento flector en las palas hacia atrás (i.e. aguas abajo).
Para terminar con el análisis aerodinámico del rotor, recordar que los resultados aquí mostrados son
resultado de modelos idealizados. Para obtener resultados más precisos y caracterizar bien el
movimiento en todas las condiciones de funcionamiento habría que estudiar otros factores; por
ejemplo las interacciones entre elementos (entre las palas, entre la torre y el rotor, o entre unos
aerogeneradores del parque y otros), la influencia del número de Reynolds, fenómenos no
estacionarios como ráfagas de viento, o posibles casos especiales como el frenado en posición de
bandera. Asimismo destacar que el diseño aerodinámico óptimo podría llevar a diseños complicados
de fabricar, y por tanto caros, pudiendo ser preferible sacrificar algo de coeficiente de potencia,
haciendo un diseño más sencillo para reducir costes.
Figura 3.14 - Coeficiente de par aerodinámico (izquierda) y coeficiente de tracción (derecha), en función del parámetro de
operación.
Capítulo 4: Dimensionado del rotor y actuaciones básicas
- 25 -
CAPÍTULO 4: Dimensionado del rotor y actuaciones básicas
4.1. Introducción
En este capítulo se aborda el estudio de las actuaciones del aerogenerador según la velocidad del
viento, extrayendo datos y conclusiones del rendimiento energético de la máquina. Para este estudio
primero se requiere dimensionar el rotor (i.e. definir su radio), ya que hasta ahora todo el análisis ha
sido adimensional, pero para calcular, por ejemplo, la producción energética se precisa el valor del
área barrida por el rotor, S=πR2. Se harán algunos cálculos energéticos y se definirán los valores
característicos del aerogenerador. Por último se explicará la necesidad del sistema de control
estacionario del rotor y su funcionamiento.
4.2. Elección del radio. Curva de potencia
Se podría pensar que el criterio a utilizar para seleccionar el radio es elegir aquel que maximice la
producción energética. Como es lógico y se comprobará más adelante, para maximizar la energía hay
que maximizar la potencia extraída a cada velocidad del viento. Por tanto interesaría aumentar la
potencia proporcionada por el aerogenerador, definida como:
12
(39)
Donde ηm y ηe son el rendimiento mecánico y eléctrico respectivamente, que se tomarán de valor 0.95
(que es un valor conservativo). De aquí se deduce que para maximizar la potencia interesa un radio
lo mayor posible, infinitamente grande. Lo que va a limitar el radio del rotor en la práctica son los
costes; tanto directos (la potencia aumenta como el radio al cuadrado, pero la masa de la pala lo hace
como el radio al cubo), como indirectos por el estado de la técnica (hacer rotores grandes complica
la fabricación, así como el transporte y el montaje).
Para considerar esto y conseguir un coste bajo con una buena producción energética, se usa un
parámetro que permite valorar la viabilidad de un rotor según las posibilidades de la industria. Este
parámetro es la potencia específica, SP (de Specific Power en inglés), definida como la relación entre
la potencia nominal del aerogenerador y el área barrida por el rotor:
(40)
Capítulo 4: Dimensionado del rotor y actuaciones básicas
- 26 -
En la figura 4.1 se muestra la potencia nominal y la potencia específica de varios aerogeneradores
reales. Con algunas excepciones, la tendencia entre los aerogeneradores más antiguos era tener
potencias específicas de aproximadamente 400 W/m2. Sin embargo, en los últimos años se han
desarrollado una serie de aerogeneradores para emplazamientos con poco viento con menores SP;
llegando a valores incluso menores que 200 W/m2.
Al ser el emplazamiento estudiado precisamente uno de poco viento, se elige un radio que ofrezca
una SP cercana a los 200 W/m2. En concreto se escoge 70 m de radio, que, al ser la potencia nominal
de 3000 kW, resulta en una potencia específica de 195 W/m2.
Una vez elegido el radio, empleando la expresión (39) se puede representar la potencia que
proporciona el aerogenerador en función de la velocidad del viento, aunque con ciertas
consideraciones. Se hace notar que hay una velocidad del viento por debajo de la cual el rotor no se
conecta al generador eléctrico, principalmente porque las pérdidas en la transmisión serían elevadas.
Se la denominará velocidad de conexión, Uin (cut-in speed en inglés). Esta velocidad suele rondar los
3 o 4 m/s, aunque suele ser menor para emplazamientos con poco viento (véase la tabla 2.2 de
aerogeneradores semejantes). En este trabajo se ha elegido de valor 3 m/s.
Análogamente existe una velocidad de desconexión o de corte, Uout (cut-out speed en inglés),
empleada para limitar las cargas sobre el aerogenerador cuando el viento es demasiado fuerte. Por
encima de esta velocidad el aerogenerador ya no produce electricidad, y se actuará para frenarlo (por
Figura 4.1 - Potencia nominal (izquierda) y potencia específica (derecha) frente al radio de distintos aerogeneradores
comerciales.
Capítulo 4: Dimensionado del rotor y actuaciones básicas
- 27 -
ejemplo ajustando el paso para reducir el par aerodinámico, o girando el plano del rotor fuera del
viento, entre otros métodos). En el caso de estudio se ha elegido de valor 25 m/s, siendo el más común
entre los aerogeneradores semejantes (de nuevo, véase la tabla 2.2).
Además, una característica común de los aerogeneradores es que, independientemente de la velocidad
del viento, no generarán más potencia de la nominal (que normalmente será la máxima que pueda dar
el generador eléctrico). Se hace natural definir la velocidad a la que se alcanza la potencia nominal,
denominada velocidad nominal, UN, que se calcula mediante la expresión (39). En este trabajo resulta
de valor 8.80 m/s.
Con esta información ya se puede representar la denominada curva de potencia del aerogenerador
(figura 4.2). Nótese que, siguiendo la expresión (39), al aumentar el radio lo que ocurre es que UN se
desplaza a la izquierda, aumentando la potencia para velocidades del viento bajas.
Figura 4.2 - Curva de potencia del aerogenerador proyectado.
Figura 4.3 - Número de Reynolds a lo largo de la pala a la velocidad de conexión.
Capítulo 4: Dimensionado del rotor y actuaciones básicas
- 28 -
Se hace un inciso para justificar que los perfiles aerodinámicos trabajan a número de Reynolds alto,
como se comentó en el capítulo 3. Se examina el caso peor; a la mínima velocidad del viento, Uin=3
m/s, y velocidad angular dada por la ecuación (15), Ω=0.363 rad/s. Se calcula su valor para cada
sección con la fórmula:
Re (41)
Donde ν es la viscosidad cinemática del aire, que se ha tomado de valor 1.42·10-5 m2/s, y UR es la
velocidad resultante sobre la sección. En la figura 4.3 se representa el número de Reynolds, y se ve
que es superior a un millón en todas las secciones como se había supuesto.
4.3. Estudio energético. Resultados
Para pasar de la curva de potencia del aerogenerador a la energía producida en un periodo, es
necesario caracterizar el viento. Esto se hace mediante histogramas en los que se recoge la frecuencia
de aparición de cada velocidad del viento en el emplazamiento. En general, la forma de esta
distribución se asemeja suficientemente a una distribucion de Weibull, de acuerdo con la norma IEC
comentada en el capítulo 2. Esta distribución queda definida por dos parámetros; el factor de escala,
C, y el factor de forma, k. El factor de escala da una idea de la magnitud media de la velocidad del
viento (aunque no es la media verdadera), y el factor de forma precisa la dispersión de la distribución.
En este caso el requisito es que k sea igual a 2 –lo que hace que la distribución de Weibull coincida
con la distribución de Rayleigh– y que C sea igual a 5 m/s. Se representa esta distribución en la figura
4.4, siendo fW la función de densidad de Weibull, y donde aparecen marcadas las velocidades de
Figura 4.4 - Distribución de Weibull del viento en el emplazamiento estudiado.
Capítulo 4: Dimensionado del rotor y actuaciones básicas
- 29 -
conexión, de corte y nominal. Se observa claramente que una buena parte del tiempo la velocidad del
viento será muy baja, incluso menor que la de conexión, lo que limitará en gran medida la producción
energética de la máquina. También se observa que apenas hay vientos de alta velocidad. Pudiera ser
una opción de diseño bajar la velocidad de corte de forma significativa; relajando posiblemente los
criterios estructurales de seguridad, lo que ahorraría peso.
Se definen a continuación las expresiones que permiten hallar los parámetros de interés en el estudio
energético del aerogenerador. Se comienza por definir la expresión general de la función de densidad
de la distribución de Weibull:
exp (42)
La energía producida por el aeogenerador en un periodo de tiempo, T, será el producto de la potencia
a cada velocidad por la probabilidad de que ocurra esa velocidad, y multiplicado por el periodo. Lo
cual se formula en forma integral de este modo:
d (43)
A la energía producida en un periodo divida por el periodo en cuestión se le denomina potencia media,
Pave (average power en inglés), siendo por tanto su expresión:
d (44)
Se define así el factor de capacidad, FC, como la relación entre la energía producida en un año, y la
que se hubiera producido si la máquina hubiese operado a potencia nominal todo el año, siendo éste
un parámetro muy utilizado para medir el rendimiento de la máquina. Se puede expresar como:
(45)
Análogamente, se definen las horas equivalentes, Heq, como las horas que tendría que haber estado
funcionando el aerogenerador a potencia nominal para generar la energía producida realmente en un
año. Se suele calcular de este modo:
(46)
Realizados los cálculos para el aerogenerador y emplazamiento en cuestión, resulta un FC de 0.214,
y 1873 horas equivalentes. Estos valores son ciertamente bajos, considerándose habitualente que un
proyecto es rentable a partir de valores de FC mayores que 0.25. Esto es así porque el emplazamiento
es de poco viento. Para obtener un FC de 0.25 con el diseño aerodinámico propuesto, se requeriría un
Capítulo 4: Dimensionado del rotor y actuaciones básicas
- 30 -
aerogenerador de 74.4 metros de radio, siendo este radio mucho mayor que el de los aerogeneradores
existentes de 3 MW de potencia nominal, aunque cada vez tienden a ser más grandes.
Una vez obtenidos estos resultados, se puede calcular de forma sencilla la producción energética anual
del aerogenerador, AEP por sus siglas en inglés. El cómputo es el siguiente:
(47)
Siendo NHIY un acrónimo inglés para el número de horas en un año, que se toma como 8760 h. Así,
la producción energética anual resulta ser 5.62·106 kWh.
Finalmente, se muestra el resultado de un cálculo aproximado del coste de la energía (COE por sus
siglas en inglés), medido como el coste total del aerogenerador en toda su vida útil dividido entre los
kilovatios-hora que producirá. El modelo utilizado es el propuesto por el laboratorio nacional de
energía renovable de los Estados Unidos (NREL por sus siglas en inglés) en su informe Wind Turbine
Design Cost and Scaling Model (Fingersh, Hand, & Laxson, 2006), y que será estudiado en mayor
profundidad en el capítulo 5.
Figura 4.5 - Curvas de nivel del COE. Figura 4.6 - Curvas de nivel del FC.
Tabla 4.1 - Resultados del estudio energético.
Factor de capacidad Horas equivalentes
[h] Producción energética anual
[kWh] Coste de la energía
[€/kWh] 0.214 1873 5.62·106 0.128
Capítulo 4: Dimensionado del rotor y actuaciones básicas
- 31 -
Se muestra en la figura 4.5 los valores del COE para las distintas posibilidades de diseño,
representando la figura las curvas de nivel para las distintas velocidades en punta de pala nominales
en función de la velocidad nominal. Aquí, la línea de trazos representa los posibles diseños con el
parámetro de funcionamiento óptimo. Se observa que el diseño propuesto se encuentra en una zona
próxima a la de menor coste de la energía, pero que para alcanzar ésta habría que salirse del punto de
diseño. Esto podría dar pie a un rediseño aerodinámico del rotor.
Adicionalmente, se muestra en la figura 4.6 la misma representación pero con las curvas de nivel del
factor de capacidad. Nótese que bajar por la línea de trazos implica tener velocidades nominales
menores y por tanto radios mayores. Se observa de las dos figuras que, a partir de una zona próxima
a la de diseño, aumentar el radio aumentaría el factor de capacidad, pero también el coste de la energía.
Los resultados principales del estudio energético para el diseño elegido se muestran en la tabla 4.1,
se destaca que el valor del COE obtenido es bastante alto para lo que se espera de un aerogenerador
en tierra. Esto es debido al bajo factor de capacidad, que venía forzado por las malas condiciones del
emplazamiento. Los valores característicos que definen al aerogenerador se muestran en la tabla 4.2.
Lo único destacable si los comparamos con los de aerogeneradores semejantes (tabla 2.2) es que el
rotor proyectado es marcadamente más grande que éstos, ya que están diseñados para emplazamientos
con mejores condiciones, lo que además resulta en una velocidad nominal menor como se ha
explicado anteriormente.
4.4. Control estacionario
Como se ha comentado antes, para velocidades mayores de la nominal interesa que el aerogenerador
Tabla 4.2 - Valores característicos del aerogenerador proyectado.
Potencia nominal [kW] 3000 Diámetro [m] 140
Área barrida [m2] 15400 Potencia específica [W/m2] 195
Velocidad de giro [rpm] 10.2 Velocidad de conexión [m/s] 3
Velocidad nominal [m/s] 8.80 Velocidad de corte [m/s] 25
Altura de la torre1 [m] 120
Capítulo 4: Dimensionado del rotor y actuaciones básicas
- 32 -
sólo produzca la potencia nominal, y habrá que forzar que esto ocurra. Observando la ecuación (39),
vemos que el único parámetro sobre el que se puede actuar es el coeficiente de potencia, por tanto a
velocidades altas habrá que disminuirlo de algún modo. Una forma sencilla de actuar sobre el CP es
cambiar el ángulo de ataque que ven los perfiles. Esto se consigue modificando la orientación de las
palas respecto al viento mediante un ángulo de paso de control, θC, que se suma a la torsión geométrica
para dar el ángulo de paso1, tal que:
(48)
Modificar el ángulo de paso también puede afectar al parámetro de operación, y, sabiendo que el
coeficiente de potencia depende tanto de θC como de λ, el resultado es que hay una superficie de
posibilidades para obtener el CP buscado. Esta superficie se muestra en la figura 4.7. Del mismo modo
ocurre para el coeficiente de par y para el de tracción (figuras 4.8 y 4.9).
Para fijar una solución, se suele poner como condición que la velocidad angular del rotor se mantenga
constante a todas la velocidades superiores a UN, como se ve en la figura 4.10. A velocidades altas,
al mantener Ω constante, el parámetro de operación se aleja del óptimo, disminuyendo, como se extrae
de la ecuación (16). A partir de UN, λ es inversamente proporcional a la velocidad, como se desprendía
de la expresión (16) y se aprecia en la figura 4.11. Se comprueba asimismo en la figura 4.12 que el
CP se comporta de la forma esperada –esto es, inversamente proporcional al cubo de la velocidad–
para hacer cumplir la ecuación (39).
1 Nótese que hasta ahora se había considerado el ángulo de paso de control como nulo.
Figura 4.7 - Mapa de actuaciones del coeficiente de potencia; P=( , ).
Capítulo 4: Dimensionado del rotor y actuaciones básicas
- 33 -
El control se puede realizar o bien reduciendo el ángulo de ataque –lo que se consigue aumentado el
paso– (a esto lo llamaremos control clásico), o bien aumentándolo lo suficiente para hacer que los
perfiles entren en pérdida. Las dos opciones de control se muestran en la figura 4.13. Se observa que
el control por pérdida tiene la ventaja de que requiere menores variaciones de ángulo, pero el
comportamiento aerodinámico en esta situación es muy difícil de predecir, ya que el fenómeno de la
pérdida es complicado de caracterizar, y, además, los distintos perfiles tienen diferentes formas de
entrar en pérdida (en las figuras 3.2 y 3.3 se observan las diferencias para los perfiles utilizados).
Comentar que también puede obligar a salir del funcionamiento óptimo la limitación por ruido;
cuando se alcanza la velocidad en la punta de pala limitante habrá que actuar para que a mayores
vientos la velocidad angular no aumente, de modo análogo a lo anteriormente expuesto. En el caso
Figura 4.8 - Mapa de actuaciones del coeficiente de par;
Q=( , ).
Figura 4.9 - Mapa de actuaciones del coeficiente de
tracción; T=( , ).
Figura 4.10 - Velocidad de rotación del rotor en función
de la velocidad del viento.
Figura 4.11 - Parámetro de operación en función de la
velocidad del viento.
Capítulo 4: Dimensionado del rotor y actuaciones básicas
- 34 -
estudiado la limitación por ruido no restringe la operación, de hecho sólo la restringiría para radios
menores que 52.9 m. Contra lo que se pudiera pensar, cuanto menor sea el radio mayor será la
velocidad en punta de pala, ΩR, y por tanto más limitante el criterio por ruido. La expresión que
gobierna este resultado se obtiene de combinar las expresiones (16) y (39), de forma que:
Ω 12
∝ (49)
En el caso de que el ruido fuera limitante, habría dos tramos de subida en la curva de potencia; una
primera subida hasta una velocidad que se denomina UN0, y luego una segunda subida de menor
pendiente hasta alcanzar la potencia nominal (nótese que la velocidad a la que se alcanza la potencia
nominal será mayor que sin limitación por ruido). Esto resultaría inevitablemente en una menor
producción energética.
Asimismo, esta limitación por ruido obligaría a modificar las curvas de control estacionario que se
han visto en la figura 4.13; divergiendo ambas curvas más tarde, en concreto a la nueva velocidad
nominal, y cambiando además ligeramente la forma de éstas.
Figura 4.12 - Coeficiente de potencia en función de la
velocidad del viento.
Figura 4.13 - Ángulo de paso de control en función de la
velocidad del viento.
Capítulo 5: Configuración y dimensionado de componentes principales
- 35 -
CAPÍTULO 5: Configuración y dimensionado de componentes principales
5.1. Introducción
En el presente capítulo se va a efectuar una estimación de las masas desglosadas del aerogenerador
completo. Se comienza por describir los diferentes componentes del aerogenerador proyectado,
pasando posteriormente a evaluar sus masas con base en el modelo Wind Turbine Design Cost and
Scaling Model (Fingersh, Hand, & Laxson, 2006). Este modelo fue propuesto por el laboratorio
nacional de energía renovable de los Estados Unidos (NREL por sus siglas en inglés) basándose en
el trabajo de la universidad de Sutherland y del proyecto WindPACT (Wind Partnerships for
Advanced Component Technology) del departamento de energía de los Estados Unidos (DOE,
acrónimo inglés del United States Department of Energy), y pretende ofrecer una estimación realista
de los costes de la producción energética eólica. Para poder realizar esta estimación de costes primero
ofrece una evaluación de masas de acuerdo con los materiales utilizados en la industria, siendo esta
evaluación el objeto del capítulo.
El modelo Wind Turbine Design Cost and Scaling Model proporciona los resultados en dólares de
Figura 5.1 - Componentes principales del aerogenerador SWT-3.6-107 de Siemens. (Siemens, s.f.)
Capítulo 5: Configuración y dimensionado de componentes principales
- 36 -
2002, pero también propone un método de conversión a dólares del año de interés, mediante un
desglose exhaustivo de los costes del aerogenerador, asociando a cada uno de ellos el indicador
económico correspondiente. Siendo este método excesivamente complejo para el propósito del
presente capítulo, se realizará la conversión de divisas de forma simplificada; pasando los dólares de
2002 a dólares de 2015 mediante el Índice General de Inflación estadounidense –1$ de 2002 equivale
a 1.33$ de 2015–, y utilizando el tipo de cambio actual se pasa de dólares a euros de 2015 –1$ de
2015 equivale a 0.91€ de 2015–.
5.2. Componentes del aerogenerador
La mayoría de los principales componentes del aerogenerador según el modelo Wind Turbine Design
Cost and Scaling Model aparecen señalados en la figura 5.1. Dichos componentes se pueden agrupar
en tres bloques de la siguiente forma:
1. Rotor.
Palas.
Buje.
Mecanismo de paso (para controlar el ángulo de paso de control).
Cono.
2. Tren de potencia.
Eje de baja velocidad.
Cojinetes.
Multiplicadora (habrá cuatro configuraciones junto al generador a elegir, como se verá más
adelante).
Sistema de frenado.
Generador
Mecanismo de orientación (se encarga de mover la góndola para que el rotor esté siempre de
cara al viento).
Chasis de la góndola
Sistema hidráulico y de refrigeración
Cubierta de la góndola
3. Torre (supuesta tubular de acero).
Capítulo 5: Configuración y dimensionado de componentes principales
- 37 -
5.3. Estimación de masas
A continuación se mostrarán los cálculos de la masa de las distintas configuraciones asignables. Los
cálculos de dichas masas se llevan a cabo a partir de funciones de escala, obtenidas por métodos
estadísticos, utilizando datos existentes en el mercado –NREL publicó en 2011 una revisión con
nuevos datos (Tegen, Lantz, Hand, & Maples, 2011), pero no se ha tenido en cuenta para este estudio–
.
Dichas expresiones son funciones potenciales del radio del rotor, la altura del buje, la velocidad
angular del rotor y la potencia nominal de la máquina. El único valor que no se ha obtenido en el
capítulo 4 es el correspondiente a la altura del buje (o lo que es lo mismo, la altura de la torre). El
dimensionado de la torre depende de las características del terreno circundante y del perfil de vientos
en dicho lugar (ya que la velocidad del viento aumenta con la altura), ofreciendo los fabricantes
habitualmente más de una posibilidad. Para el cálculo de masas se ha elegido una torre de tamaño
medio basándose en los aerogeneradores semejantes (tabla 2.2), en concreto se ha tomado que sea de
120 m. Los valores correspondientes al aerogenerador proyectado necesarios para calcular las masas
quedan recogidos en la tabla 5.1.
Se comienza por el estudio másico de la pala; el modelo permite elegir entre dos tipos de pala
diferentes, la básica y la avanzada. Estos tipos se refieren al diseño de los componentes, pudiendo
diferir los materiales empleados y la configuración del elemento. Según el modelo la pala avanzada
no debe usarse para rotores de menos de 100 m de diámetro. Estos dos diseños se componen de los
siguientes materiales y sus respectivos porcentajes en peso:
-Básica:
60% fibra de vidrio
23% adhesivos vinílicos
8% remaches y tacos
9% resto
Tabla 5.1 - Datos del aerogenerador para el cálculo de masas.
R [m] h [m] PN [kW] AEP [kWh] ΩN[rad/s] 70 120 3000 5.62·106 1.07
Capítulo 5: Configuración y dimensionado de componentes principales
- 38 -
-Avanzada
61% fibra de vidrio
27% adhesivos vinílicos
3% remaches y tacos
9% resto
El modelo estima la masa de una única pala según las siguientes funciones de su radio. Para el diseño
básico:
Masa 0.1452 . (50)
Y para el diseño avanzado:
Masa 0.4948 . (51)
Se puede comprobar que esto resulta en que la pala avanzada es más ligera para cualquier radio
superior a 24 m.
A continuación se estudia la torre de forma análoga. Al igual que en la pala se pueden distinguir dos
configuraciones: básica y avanzada. La masa de la torre se escala a partir del producto del área barrida
por el rotor, S=πR2, y la altura del buje. El modelo llama la atención sobre el uso de esta función para
torres de más de 80 m, ya que el diseño de la torre podría desviarse de los contemplados por el modelo
al diseñarse teniendo en cuenta las dificultades del transporte y el ensamblaje.
Para la torre tubular de acero (la única contemplada por el modelo y convenientemente la más
utilizada, especialmente en máquinas grandes) las funciones se muestran a continuación. Para el
diseño básico:
Masa 0.3973 1414 (52)
Y para el diseño avanzado:
Masa 0.2694 1779 (53)
Para finalizar, se muestra el cálculo para la multiplicadora. El modelo permite seleccionar entre cuatro
configuraciones básicas, fijando cada una además un tipo de generador. Los tipos de multiplicadora
se resumen en la figura 5.2 y son la de tres etapas, la transmisión directa (i.e. sin multiplicadora), la
de una etapa y la múltiple (que acopla varios generadores en una única etapa).
Capítulo 5: Configuración y dimensionado de componentes principales
- 39 -
La masa se escala con el par nominal del rotor (eje de baja), QN=PN/ΩN, como se muestra en las
siguientes ecuaciones. Para la multiplicadora de tres etapas:
Masa 70.94 . (54)
Para la de una etapa:
Masa 88.29 . (55)
Para la múltiple:
Masa 136.69 . (56)
Y, por último, la transmisión directa, que no tiene multiplicadora. Mencionar que esta elección tendrá
efecto en otras masas del aerogenerador como son el chasis de la góndola y el generador.
5.4. Resultados
Se calcula la masa total del aerogenerador para cada configuración –ya que entre las tecnologías de
pala, torre y multiplicadoras resultan 16 combinaciones posibles–, empleando las funciones descritas
Figura 5.2 - Tipos de multiplicadora y generador según el modelo de NREL. (Munuera, 2010)
Capítulo 5: Configuración y dimensionado de componentes principales
- 40 -
en la sección 5.2 así como las correspondientes al resto de los componentes según el modelo
estudiado.
El resultado se recoge en la figura 5.3, pero para poder discernir más claramente los resultados se
muestra en la figura 5.4 la zona de interés ampliada. Aquí se observa que la configuración de menor
masa es la correspondiente a la pala y torre de diseño avanzado y con multiplicadora de tres etapas,
aunque muy similar a su homóloga con multiplicadora de una etapa. Destacar también que lo que más
Figura 5.3 - Masa total del aerogenerador para las distintas configuraciones propuestas. a: diseño avanzado. b:
diseño básico.
Figura 5.4 - Detalle de la masa total del aerogenerador para las distintas configuraciones propuestas. a: diseño
avanzado. b: diseño básico.
Capítulo 5: Configuración y dimensionado de componentes principales
- 41 -
hace diferir las distintas opciones es la tecnología de la torre, siendo la avanzada de mucho menor
peso. Esto se puede explicar al considerar que la torre es el elemento más pesado de la máquina, como
se verá un poco más adelante.
Por otro lado, a la hora de escoger un diseño un criterio más importante que la masa es el coste,
reflejado en el COE. Se ha considerado de interés calcular el coste de estas configuraciones según el
mismo modelo (Fingersh, Hand, & Laxson, 2006) –aunque sin entrar al estudio de cómo se obtiene,
que no es objeto de este trabajo–. Los resultados se exponen en la figura 5.5, con la zona de interés
Figura 5.5 - Detalle del coste de la energía para las distintas configuraciones propuestas. a: diseño avanzado. b:
diseño básico.
Figura 5.6 - Distribución de masas de los componentes
principales.
Figura 5.7 - Distribución de masas de los subcomponentes
del rotor.
Capítulo 5: Configuración y dimensionado de componentes principales
- 42 -
ampliada, donde se aprecia que la configuración de menor masa no se corresponde con la de menor
coste, que es la de una etapa. Nótese que para los cálculos del COE realizados anteriormente en este
trabajo, la configuración elegida ha sido la de menor coste. Que el aerogenerador sea de diseño
avanzado es una elección razonable, teniendo en cuenta que el emplazamiento es uno poco común y
difícil de rentabilizar.
Se fija por tanto el diseño de menor coste de la energía (pala avanzada, torre avanzada y
multiplicadora de una etapa) –siendo además casi el de menor masa, como se aprecia en la figura 5.4–
, y se pasa a desglosar la masa, con el fin de discernir el peso de cada componente en el resultado
final. En la figura 5.6 se muestra el porcentaje en peso de los tres componentes principales. Destaca
que la torre aporte más de la mitad del peso de la estructura –aunque debe hacerse notar que respecto
al coste su contribución no sería tan significativa–, y que además sea el rotor lo que menos pesa, a
pesar de su gran tamaño (mencionar que el rotor interesa que sea ligero para minimizar las cargas
sobre la estructura). La distribución de masas de los subcomponentes del rotor, figura 5.7, y de los
subcomponentes del tren de potencia, figura 5.8, subrayan la importancia del diseño del buje y de la
multiplicadora en el análisis másico y por tanto estructural. Nótese que no hay desglose de la torre ya
que el modelo lo considera un único componente, y que el segmento resto de la figura 5.8 corresponde
a la suma del sistema hidráulico y de refrigeración, el sistema de frenado, la cubierta de la góndola y
los cojinetes utilizados.
Figura 5.8 - Distribución de masas de los subcomponentes del tren de potencia.
Capítulo 5: Configuración y dimensionado de componentes principales
- 43 -
En la tabla 5.2 se recogen todas las masas consideradas por el modelo utilizado a lo largo de este
capítulo, y que estima una masa total del aerogenerador de 746 toneladas. Para terminar el capítulo
se llama la atención sobre el valor tan alto de las masas del aerogenerador, en concreto la masa de
las palas, lo que será especialmente relevante en los cálculos estructurales y de inercia.
Tabla 5.2 - Desglose de las masas de cada componente del aerogenerador proyectado.
Componente Subcomponente Masa [x1000 kg]
Rotor
Palas 69.1 Buje 27.7
Mecanismo de paso 13.1 Cono 2.07
Total rotor 112
Tren de potencia
Eje de baja velocidad 22.4 Cojinetes 7.82
Multiplicadora 41.3 Sistema de frenado 0.597
Generador 16.9 Mecanismo de orientación 18.6
Chasis de la góndola 22.6 Sistema hidráulico y de refrigeración 0.240
Cubierta de la góndola 3.85 Total tren de potencia 134
Torre Total torre 499 Total 746
- 44 -
Conclusiones
Se hace a continuación un pequeño repaso de las decisiones tomadas en el diseño del aerogenerador,
y se plantean posibles líneas de trabajo posteriores. Se recuerda que los datos de partida eran:
Potencia nominal: 3000 kW.
Velocidad límite de punta de pala: 90 m/s.
Parámetros de la función de Weibull: C = 5 m/s y k = 2.
Tras examinar brevemente el mercado de la energía eólica e introducir la norma que rige el diseño de
estas máquinas, así como presentar datos de aerogeneradores comerciales semejantes, el primer paso
del proceso de diseño consistió en el estudio aerodinámico del rotor, para el cual se tuvo que definir
la distribución de perfiles en la pala. Se decidió el siguiente reparto:
(xR ≤ x < 0.65): DU-40, elegido por su alto espesor relativo, que proporcionará mayor
resistencia estructural.
(0.65 ≤ x < 1): NACA63618, debido a su gran eficiencia aerodinámica.
Se recuerda que para esta selección no se ha realizado ningún cálculo estructural en el diseño del
aerogenerador, pero son perfiles de uso común en aerogeneradores. Con la distribución definida, se
calcularon los parámetros que definen la pala de forma que maximizaran el coeficiente de potencia,
resultando éste de valor CPmax=0.517.
A continuación se llevó a cabo el análisis del dimensionado y las actuaciones del rotor, en el que se
decidió que el radio fuera de 70 m. El factor primordial en la decisión fue obtener el mínimo coste de
la energía (COE) posible con el rotor funcionando en condiciones óptimas, lo que se consiguió
siguiendo la tendencia actual para emplazamientos de poco viento consistente en hacer el rotor lo más
grande posible atendiendo a las posibilidades de la industria. Se hace notar que la velocidad límite
impuesta a la punta de la pala por el ruido generado no afecta a la operación del rotor con el radio
elegido.
Por último, se realizó una estimación de masas, a través del modelo Wind Turbine Design Cost and
- 45 -
Scaling Model (Fingersh, Hand, & Laxson, 2006) desarrollado por NREL, en la que la elección de la
configuración para las partes principales del aerogenerador –pala, torre y unidad de potencia–, se basó
en la que producía un coste de la energía mínimo. Esta configuración es: pala y torre de diseño
avanzado, con multiplicadora de una etapa y generador síncrono. Además, la masa total de esta
configuración es cercana a la de la configuración de masa mínima.
De haber hecho un análisis más completo, el siguiente paso lógico en el diseño hubiese sido hacer un
análisis estructural del aerogenerador (siempre de acuerdo a la norma IEC presentada en el capítulo
2) y seguidamente un análisis de vibraciones, incluyendo efectos aeroelásticos, para poder de este
modo definir los materiales y elementos de refuerzo a emplear en la pala.
Para definir el aerogenerador en más detalle, también sería pertinente describir y tomar decisiones
sobre el sistema eléctrico y el sistema de control de la máquina, así como de los demás subsistemas
necesarios para su buen funcionamiento.
Con el aerogenerador completamente definido, se podría realizar un análisis de costes más
exhaustivo; diferenciando entre los costes de adquisición, de obra (incluyendo el transporte y la
instalación) y de mantenimiento. Sería oportuno llevar a cabo un análisis de viabilidad del proyecto
comparándolo con otras fuentes de energía, y teniendo en cuenta la legislación vigente en los
potenciales emplazamientos.
Finalmente, una vez escogida la ubicación un estudio interesante pudiera ser la disposición de las
máquinas en el terreno disponible. Atendiendo tanto a factores aerodinámicos (las direcciones
dominantes del viento, los efectos de la interacción de unos aerogeneradores con otros, etc.) como
logísticos (tendido eléctrico, transporte e instalación, etc.).
- 46 -
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