TURBINAS DE EJE HORIZONTAL DE ALTA POTENCIA
Componentes principales
Rotor
Palas (1) y controles aerodinámicos
Hub (2)
Tracción
Caja reductora (3)
Generador (6)
Ejes de alta y baja
Sistema de orientación (4)
Góndola (8)
Torre y fundación (5)
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TURBINAS DE EJE HORIZONTAL DE ALTA POTENCIA
Rotor
Palas (materiales, construcción, formas)
Aerodinámica y resistencia mecánica
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TURBINAS DE EJE HORIZONTAL DE ALTA POTENCIA
Rotor
Palas (transporte)
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TURBINAS DE EJE HORIZONTAL DE ALTA POTENCIA
Rotor
Hub
Vincula las palas con el eje principal.
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TURBINAS DE EJE HORIZONTAL DE ALTA POTENCIA
Rotor
Controles aerodinámicos
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TURBINAS DE EJE HORIZONTAL DE ALTA POTENCIA
Sistema de tracción (con caja reductora)
Rodamientos
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TURBINAS DE EJE HORIZONTAL DE ALTA POTENCIA
Sistema de tracción (con caja reductora)
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TURBINAS DE EJE HORIZONTAL DE ALTA POTENCIA
Sistema de tracción
Freno del eje principal
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TURBINAS DE EJE HORIZONTAL DE ALTA POTENCIA
Sistema de orientación de la góndola
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TURBINAS DE EJE HORIZONTAL DE ALTA POTENCIA
Góndola
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TURBINAS DE EJE HORIZONTAL DE ALTA POTENCIA
Torre
Tubulares de acero
Concreto
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TURBINAS DE EJE HORIZONTAL DE ALTA POTENCIA
Fundación
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SISTEMA DE TRANSMISIÓN ELECTROMECÁNICA
Para turbinas de velocidad fija
En los parques actuales no se utiliza este tipo de tecnología.
Utilizan generadores de inducción jaula de ardilla y una caja reductora para adaptar la baja velocidad del rotor a la velocidad nominal del generador.
Velocidad aprox. constante, variación del deslizamiento menor al 1% (Tipo 1). Como alternativa (Tipo 2), cuando la velocidad de viento es mayor a la nominal se intercalan resistencias en el rotor (deslizamiento variable) y la operación es más parecida a uno de velocidad variable.
El generador absorbe potencia reactiva por lo que se incluye un banco de capacitores para corregir el factor de potencia.
Requiere arrancador suave para llevarlo a velocidad nominal
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SISTEMA DE TRANSMISIÓN ELECTROMECÁNICA
Para turbinas de velocidad variable
Se reconocen dos esquemas conceptualmente diferentes
Doblemente alimentadas (doubly-fed)
De escala completa o full converter
Baja velocidad (o direct drive), media velocidad y alta velocidad
Ambas tecnologías utilizan convertidores electrónicos de potencia y se diferencias por el tipo y tamaño del generador y por la función y potencia de los convertidores.
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SISTEMA DE TRANSMISIÓN ELECTROMECÁNICA
Turbinas de velocidad variable con DFIG (Tipo 3)
Utilizan un generador asincrónico con rotor bobinado, también conocido como de inducción doblemente alimentado (DFIG).
El control se realiza con dos convertidores enfrentados (back-to-back) conectados al circuito rotórico mediante anillos rozantes y escobillas.
El flujo de potencia por el rotor y convertidores (~30% de la potencia nominal del generador, i.e. chicos) es bidireccional dependiendo de la velocidad del rotor.
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SISTEMA DE TRANSMISIÓN ELECTROMECÁNICA
Turbinas de velocidad variable con DFIG (cont.)
El convertidor permite controlar:
La velocidad de la máquina en un rango de ±30% de la velocidad nominal, extendiendo el rango de operación con extracción de la máxima potencia del viento (incrementa la producción de energía).
El factor de potencia en bornes, inyectando potencia reactiva para soporte de la red eléctrica (exigidos por los códigos de red).
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SISTEMA DE TRANSMISIÓN ELECTROMECÁNICA
Turbinas de velocidad variable full-converter
Pueden utilizar un generador asincrónico o sincrónico de imanes permanentes.
El convertidor se ubica en el estator. Debe manejar toda la potencia de la máquina (más grande).
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SISTEMA DE TRANSMISIÓN ELECTROMECÁNICA
Turbinas de velocidad variable full-converter (cont.)
El convertidor back-to-back en el estator:
Desacopla el generador y la transmisión mecánica de la red, reduciendo el impacto ante fallas en la red y mejorando las características eléctricas para el acoplamiento al sistema de potencia.
Controla el torque y la velocidad de la turbina en todo el rango de viento. Mejora la producción de energía.
Controla completamente la potencia activa y reactiva.
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SISTEMA DE TRANSMISIÓN ELECTROMECÁNICA
Turbinas de velocidad variable full-converter (cont.)
De baja velocidad
Utiliza un generador sincrónico de baja velocidad con imanes permanentes o con excitación externa. No utiliza caja reductora (gearless o direct drive).
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https://www.enercon.de/en/technology/#showVideo
SISTEMA DE TRANSMISIÓN ELECTROMECÁNICA
Turbinas de velocidad variable full-converter (cont.)
De media velocidad
Requiere utilizar una caja reductora simple o de dos etapas con un generador sincrónico compacto (100-500 rpm).
Bajo peso (12.5-25tn) y tamaño.
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SISTEMA DE TRANSMISIÓN ELECTROMECÁNICA
Turbinas de velocidad variable full-converter (cont.)
De alta velocidad
Requiere utilizar una caja reductora con varias etapas (normalmente 3).
Puede usar un generador sincrónico o de inducción jaula de ardilla (~2000 rpm).
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SISTEMA DE TRANSMISIÓN ELECTROMECÁNICA
Convertidores
ABB ACS880, 1-8 MW
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TURBINAS COMERCIALES
DFIG con caja reductora
Vestas V90 3.0 MW
Potencia nominal: 3 MW
Clase IEC: IA y IIA
Diámetro rotor: 90 m
Área barrida: 6,362 m2
Velocidad nominal: 16.1 rpm
Rango velocidad: 8.6 - 18.4 rpm
Generador: DFIG 4-polos
Caja reductora: dos etapas
planetarias y una helicoidal
Regulación de potencia por
pitch con velocidad variable
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TURBINAS COMERCIALES
Full converter - direct drive
EWT 52/54
(500 kW)
http://www.ewtdirectwind.com/
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TURBINAS COMERCIALES
Full converter - direct drive
Enercon E-101 E2 / 3,500 kW
Potencia nominal: 3.500 kW
Diámetro del rotor: 101 m
Área barrida: 8012 m²
Clase de viento: IEC/EN IA
Palas: GRP (resina epoxi)
Velocidad: 4-14,5 rpm
Control de pitch independiente
con energía de emergencia
Generador: síncrono en anillo
con acoplamiento directo
Conexión a red: convertidor ENERCON
Freno mecánico del rotor, bloqueo de rotor
Sistema de control de orientación activo
http://www.enercon.de/
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TURBINAS COMERCIALES
Full converter – con caja
Vestas V136 4.2MW
Pitch regulated with variable speed
Rated power 4,000 kW/4,200 kW
Cut-in/out wind speed 3/25 m/s
Wind class IEC IIB/IEC S
Sound Maximum 103.9 dB(A)
Rotor diameter 136 m
Swept area 14,527 m2
Air brake full blade feathering with 3
pitch cylinders
Converter full scale
Gearbox: two planetary and one helical
Nacelle: H 6.9 m, W 4.2 m, L 12.8 m
Hub: H 3.8m, W 3.8m, L 5.5 m
Blade: L 66.7 m, max. chord 4.1m
https://www.vestas.com/en/products/turbines/v136-_4_2_mw#!at-a-glance
Vestas V 136 3.45 MW
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GRANJAS EÓLICAS
Características
Ventajas de la centralización
Reducción de costos de desarrollo (costos fijos)
Simplificación de conexiones a las líneas de transmisión
Simplificación del acceso para mantenimiento y operación
Mayor potencia en el punto de acoplamiento a la red (PCC) permitiendo colaborar en tareas de servicio
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On-shore Off-shore
GRANJAS EÓLICAS
Configuración del parque
Separación típica para reticulados lineales.
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Parque eólico Rawson (80 MW)Parque eólico Corti (100 MW + 50 MW)
GRANJAS EÓLICAS
Configuración del parque (cont.)
Se busca reducir la interferencia entre turbinas y aprovechar al máximo el recurso. El emplazamiento final se realiza mediante software, e.g. WAsP (www.wasp.dk)
Ejemplo conceptual: arreglo cuadrado con turbinas equidistantes
La eficiencia disminuye con la cantidad de turbinas y el efecto es menor cuanto mayor es la separación.
Efecto de duplicar la separación de las turbinas (incrementa la superficie 4x)
Caso A : 4 turbinas
Eficiencia 4D = 80%
Eficiencia 8D = 95% (+15%)
Caso B: 100 turbinas
Eficiencia 4D = 50%
Eficiencia 8D = 85% (+35%)
A
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GRANJAS EÓLICAS
Configuración de las turbinas y la red eléctrica
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GRANJAS EÓLICAS
Etapas principales para el desarrollo de una granja
Se siguen los pasos típicos de cualquier central de generación pero con las particularidades del caso.
Se pueden identificar los siguientes pasos
Selección del lugar de emplazamiento (prefactibilidad)
Estudios de factibilidad del proyecto
Medición del viento (MCP), micrositing
Preparación y obtención de los permisos correspondientes
Estudios de impacto ambiental (EIA)
Solicitud de ingreso al MEM, estudio de ampliación de acceso a capacidad de transporte, presentación de obra eléctrica a construir
Audiencia pública
Contrato de abastecimiento.
Construcción
Operación
Disposición final
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GRANJAS EÓLICAS
Códigos de red
Establecen los requisitos que deben cumplir los parques para conectarse al sistema eléctrico.
Fueron evolucionando en el tiempo, incrementando las exigencias a medida que el nivel de penetración aumentaba. Marcaron un camino para el desarrollo de tecnología.
Cada país tiene su propio código de red que depende de las características propias del sistema de transmisión y del tipo de generación.
Se tiende a la unificación de criterios (Europa).
Requerimientos
Estado estacionario: diagramas PQ, limitación de potencia.
Estado transitorio ante pequeñas perturbaciones: variaciones de tensión y frecuencia, regulación de tensión y frecuencia.
Estado transitorio ante grandes perturbaciones: huecos de tensión (LVRT, HVRT, inyección de reactivo), emulación de inercia.
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GRANJAS EÓLICAS
Normativa en Argentina (cont.)
Anexo 40 – Generación eólica
“Establece el tratamiento en el MEM de la generación eólica, atendiendo a las particularidades del equipamiento involucrado y a la naturaleza del recurso, circunstancia que lo diferencia en algunos aspectos de la generación convencional.”
Para el ingreso debe tener
Potencia mínima de 1MW.
Factor de potencia de 0.95 inductivo y capacitivo.
Los requisitos adicionales se definen según el tipo de granja
Granjas tipo A: la potencia de la granja es alta respecto a la potencia de cortocircuito en el PCC.
Granjas tipo B: la potencia de la granja es pequeña y no produce variaciones de tensión que exceden los valores indicados.
No se exige control de tensión y puede funcionar con factor de potencia constante. Característica P-Q triangular.
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NORMATIVA GRANJAS ARGENTINA
Generación eólica MEM (Anexo 40)
Granjas tipo A:
No deben provocar variaciones de tensión en el PCC superiores al 1% (132-500kV), 2% (35-132kV) y 3% (hasta 35kV) ante variaciones de viento.
Se definen dos tipos de variaciones de potencia debidas al viento:
Mayor variación rápida de generación: valor de la máxima variación estimada de potencia activa, dentro de períodos de 10 minutos.
Mayor variación frecuente de generación: valor de la máxima variación de potencia activa, dentro de una hora, de los 6 valores de potencia media registrada cada 10 min. que no es superado el 95% del tiempo
Deben controlar la tensión en el PCC o en un punto interno.
Característica P-Q de tipo pentagonal.
Evitar desconexión simultánea de todos los aerogeneradores ante vientos extremos.
Soportar fallas del SADI correctamente despejadas.
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