retos tecnológicos en el desarrollo de aerogeneradores

Desafíos Tecnológicos AerogeneradoresDesafíos Tecnológicos Aerogeneradores

Fecha: 30/06/2011 Fecha: 30/06/2011 JDLLJDLL 1

Retos Tecnológicos en el Desarrollo de AerogeneradoresMadrid, 30 de Junio 2011

NOTA: Prohibida la reproducción (total o parcial) o distribución de este documento sin la autorización del Autor Fecha: 30/06/2011 Fecha: 30/06/2011 JDLL JDLL

Presentado por: Juan de Dios López Leiva

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Indice

1. Algo de Historia

2. Puntos importantes

3. Evolución tecnológica

4. Desarrollos tecnológicos futuros

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Index

1. Un poco de Historia





Fecha: 30/06/2011 Fecha: 30/06/2011 JDLLJDLL Versión: 1.0 Versión: 1.0 Fecha: 01/06/2011 Fecha: 01/06/2011 División de Industria, Transporte y Energía División de Industria, Transporte y EnergíaWind Power 2011Wind Power 20114

Un poco de Historia

•Algunos ejemplos históricos:

• Antigua China

• Herón de Alejandría (s.I)

• Persia (S. VII)

Imagen: Molino tradicional persa

s. VII -IX

Los árabes también utilizaron este concepto, que fue traído a Europa tanto por los cruzados como por los mismos árabes, y aplicado extensivamente durante la Edad Media

Desde la Antigüedad, la Humanidad ha utilizado la energía del viento

Durante siglos, la energía del viento se ha aprovechado para moler grano, bombear agua y, en general, cualquier aplicación que necesite un suministro continuo de energía mecánica.

Imagen: Órgano “eólico” de Herón de Alejandría



Un poco de Historia

• Esta configuración implicó:•Palas más grandes (mejor diseño estructural)•Necesidad de orientar el rotor al viento•Adaptar la velocidad de la aplicación a la del rotor

Imagen: Molino tradicional manchego (x.XV)

El uso fundamental de los molinos fue, precisamente, la producción de harina, aunque eh Holanda se los usó para drenar grandes extensiones de terreno, prácticamente desde el s. XIII.

A mediados y finales de la Edad Media, aparecen los primeros molinos de eje horizontal

Aparecen los primeros ejemplos de multiplicación y cambio de eje de giro, ya que los rotores grandes giran más despacio. Los primeros sistemas eran engranajes simples de madera que permitían mover las grandes muelas sobre la piedra base a la velocidad apropiada.

En el molino manchego tradicional, por ejemplo, se incorporó un rudimentario, pero efectivo sistema de orientación “manual” (palo de gobierno)

Imagen: Molino holandés de drenaje (s.XIII)



Un poco de Historia

Las primeras aplicaciones eléctricas aparecen a finales del s. XIX

■

1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970

1888 Charles F. Brush (USA)

Primera aplicación de generación18 m – 12 kW

1904 Society of Wind

Electricians 356 asociados en 1905 Primera revista sobre

generación eólica

Dinamarca como pioneroPoul la CourEvolución por la eficiencia•Primeros ensayos en túnel

1918 120 empresas publicas

locales con aerogeneradores (20-35 kW)

3 MW de potencia instalada (3% de la generación total)

El “Concepto Danés”F.L. Smidth: Turbinas de dos o tres

palas Combinaciones eólica-

diésel

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Index

1. Algo de Historia

2. Conceptos importantes





Conceptos importantesPara comprender el porqué de la evolución tecnológica, es importante aclarar ciertos aspectos clave:

El viento no es un recurso constante ni homogéneo. Además de dirección y velocidad, puede ser más o menos turbulento.La velocidad MEDIA del viento se aproxima a una distribución estadística en cada emplazamientoLa mayor probabilidad, y por tanto, la mayor producción, se encuentra en la zona de velocidades bajas y medias.

Recurso Eólico

Velocidad Media

Fuente: IEC



Conceptos importantesPara comprender el porqué de la evolución tecnológica, es importante aclarar ciertos aspectos clave:

El aerogenerador no es más que un convertidor de energía.

•Disminuir estas pérdidas tiene contrapartidas: mayores cargas aerodinámicas, más cantidad de partes activas en el generador , componentes más caros, etc…

Conversión de Energía

VIENTOEnergía Cinética

RotorEnergía Mecánica

Tren de PotenciaEnergía Eléctrica

aer , Cargas mec, ele

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Index

1. Algo de Historia

2. Conceptos importantes

3. Tecnologías actuales




Tecnologías actualesAerogenerador, de eje horizontal a barlovento y tripala

Material Compuesto:• Fibra de Vidrio o Carbono• Resina Poliéster o Epoxy

Madera (Balsa fundamentalmente)

Metal

Palas

Superficies aerodinámicas, estructura principal, largueros

Largueros

Refuerzos, secciones interiores

Apilado de las fibras y aplicación de la resina

Ensamblaje de Largueros

Cierre del molde y curado

Instalaciones y acabado final



Tecnologías actualesTransformación de Energía Mecánica en Eléctrica

Tren de Potencia

Synchronous Generator

Generator

Accionamiento Directo

Generadores Multipolo con multiplicadora

Convencional (multiplicadora de

alta velocidad)



Tecnologías actualesLos sistemas de Control mantienen el funcionamiento seguro y reducen cargas

Actuación (Pitch)

Control

Hidráulico Eléctrico (CC o CA-asíncronos “jaula de ardilla”)

V≥Vr Control por Pitch

V Rated

V Rated

V<Vr Control por Torque



Tecnologías actuales

Estructuras

Torres:1.Acero

2.Hormigón

Conformado y cierre de virolas

Virolas soldadas entre sí y a bridas

forjadas

Instalaciones auxiliares y acabado

Integrales• In-situ• Por Secciones

Híbridas acero-hormigón

Imagen: ATS Imagen: Atlas GmbHImagen: Enercon



Tecnologías actuales

Estructuras

Estructuras Primarias Metálicas

Rodamientos:•Palas•Yaw•Tren de Potencia

Fundicíon gris (p.ej. GJS-400) Mecano-soldadas

Bolas (pitch/Yaw) Rodillos (Rotor)

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Indice

1. Algo de Historia


3. Tecnologías actuales

4. Desafíos tecnológicos futuros



Desafíos Tecnológicos FuturosObjetivo y Medios

Objetivo PRIMORDIAL: Minimizar el coste de la Energía generada.

A menor coste de energía, mayor rentabilidad y capacidad para competir

Coste de Energía

Costes e Inversiones

Energía generada

Para reducir el coste de Energía se puede actuar sobre (casi) cualquiera de sus términos:

• Reduciendo la Inversión necesaria• Reduciendo Costes de Operación y Mantenimiento (Fiabilidad y

Mantenibilidad)• Aumentando la Producción de Energía (Disponibilidad y Eficiencia)

No obstante, el óptimo no tiene por qué corresponder con un mínimo absoluto en alguno de los términos…

Medios



Desafíos Tecnológicos FuturosUn rotor más grande y/o eficiente capturará más energía…

La captura de Energía es proporcional al área del rotor y a su “eficiencia aerodinámica”.Por tanto, podemos conseguir más captura usando:

• Palas más largas• Palas más eficientes (mayor sustentación)

En ambos casos, el resultado será no sólo un aumento de la producción de energía, sino un aumento de las necesidades estructurales:

• Mayor peso de la pala• Mayores cargas aerodinámicas transmitidas

Palas

Además, no hay que olvidar el término de Coste/Inversión, ya que una pala más barata redunda en un menor coste final de la Turbina.

Imagen: RISØ



Desafíos Tecnológicos FuturosLos mayores tamaños absolutos serán en offshore, pero en on-shore también se crece

Los tamaños de aerogenerador, especialmente offshore, previstos en los próximos años demandarán grandes palas de hasta 80 m de longitud.

Para aerogeneradores onshore, el tamaño está limitado por la logística y el emplazamiento.No obstante, ya existen modelos onshore con rotores de hasta 100 m y menos de 2MW

Palas

Imagen: GWEC Imagen: Vestas



Desafíos Tecnológicos FuturosPosibles soluciones en desarrollo ó a desarrollar (1/2)

Optimización de las secciones resistentes en el perfil

Materiales avanzados(p.ej. Nanocomposites, morphing materials, orientación forzada de fibras, etc)

Palas

Imagen: D. P. N. Vlasveld, W. Daud, H. E. N. Bersee, and S. J. Picken

Perfil resistente (p.e. CFRP)

Imagen: LiveScience



Desafíos Tecnológicos FuturosPosibles soluciones en desarrollo ó a desarrollar (2/2)

Palas seccionadas para grandes longitudes

Procesos de fabricación automatizados

Palas

Imagen: EnerconImagen: Vestas

Imagen: MAG Industrial Automation Imagen: Mtorres



Desafíos Tecnológicos FuturosUn tren de potencia optimizado permitirá contener costes de adquisición y operación

Es necesario tener en cuenta varios aspectos prácticos: - Eficiencia Energética: A menores pérdidas, mecánicas y/o eléctricas, mayor producción - Fiabilidad y disponibilidad: Las paradas no programadas no sólo tienen el coste de las piezas dañadas, sino también el de la producción que se pierde. - Coste: En general, las soluciones estándar pueden tener menor coste debido a las economías de escala, pero es posible optimizar el coste disminuyendo las necesidades de material, por ejemplo.

Tren de Potencia



Desafíos Tecnológicos FuturosLos grandes fabricantes se posicionan hacia soluciones especializadas

•Las modernas multiplicadoras son cada vez más especializadas y están más adaptadas a los requerimientos del sector.

•No obstante, las multiplicadoras de alta relación aumentan mucho su peso a medida que aumenta la potencia.

•Por otra parte, los generadores eléctricos aumentan su peso a medida que su velocidad de trabajo nominal disminuye.

Tren de Potencia

• Variable speed• DD + PMSG• Full converter• Pitch controlled

• Variable speed• Medium speed

Geared + PMSG• Full converter• Pitch controlled

Performances & Energy YieldReliability & Availability

Man

ufa

ctu

rin

gC

ost

Gearbox Retrofitting market

Most of existing turbines are DFIG

Life Cycle Cost (<> Cost of Energy)

Siemens

Gamesa,Vestas

Enercon

GE

• Variable speed• High-speed Geared • DFIG generator• Pitch controlled

• Variable speed• High speed Geared• Async. generator • Full Converter • Pitch controlled

• Fixed speed• Induction

Generator• Pitch fixed



En multiplicadoras convencionales (alta velocidad), la fiabilidad seguirá siendo el caballo de batalla, así como las necesidades de lubricación y refrigeración:

Adicionalmente, existen otras posibilidades, que hoy en día empiezan a ver la luz:

Tren de Potencia

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Desafíos Tecnológicos FuturosLas multiplicadoras convencionales aún tendrán recorrido

Imagen: NREL

Estrategias de mejora intensivasMejor conocimiento de cargas y efectos sobre los componentes

Imagen: GH

Imagen: Voith Turbo

Output de velocidad constante:•Permite conexión directa a red•Pequeño amortiguamiento de fluctuaciones de par

Cajas de salida redundante:•Operación en carga parcial ó en modo “degradado”



La multiplicadora de media velocidad permite buscar el tamaño óptimo del conjunto generador-multiplicadora, consiguiendo:

Sin embargo, esta arquitectura también presenta desafíos

Tren de Potencia

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Desafíos Tecnológicos FuturosLas multiplicadoras de baja relación se posicionan como solución de futuro

Imagen: Areva M5000

Mínimo peso del conjunto:•La multiplicadora y el generador pueden integrarse en un único elemento•A pesar de usar un generador multipolo, su peso es contenido

Menores pérdidas que en cajas de alta velocidad:•Menor relación de multiplicación => Menos etapas

Menor uso de materiales activos (Cu, Fe, NdFeB):

Arquitectura integrada•La disposición compacta dificulta el acceso•La multiplicadora y el generador están integrados en la estructura de soporte

Fiabilidad:•A pesar de tener menos partes móviles, sigue siendo un factor clave•Necesario un mantenimiento predictivo adecuado para identificar posibles averías e intervalos de mantenimiento.



Un sistema de accionamiento directo elimina la multiplicadora, pero a cambio precisa de un generador síncrono multipolo, bien de imanes permanentes o de rotor devanado

Desafíos a superar:

Tren de Potencia

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Desafíos Tecnológicos FuturosLos sistemas de accionamiento directo permiten aumentar la fiabilidad.

Imagen: Enercon

Elimina totalmente la multiplicadora•Mayor fiabilidad al eliminar componentes mecánicos•Elimina el sistema de lubricación •Permite un control muy directo del par en el rotor

Excelente rendimiento a carga parcial:•Este tipo de arquitectura permite reducir las pérdidas en la zona de mayor captura

•El generador multipolo puede requerir tamaños considerables para ser eficiente•El suministro actual de imanes permanentes está polarizado en China => diversificación de producción ó investigación de nuevos materiales•Materiales Superconductores de Alta Temperatura: permitirían reducir los tamaños necesarios y el peso de partes activas.•Estabilidad estructural: El diseño de las estructuras, sobre todo del rotor, debe permitir mantener la integridad del entrehierro con un peso contenido.•Precio: Soluciones “ad hoc” => más complejo conseguir economías de escala.



La electrónica de potencia será crucial en los aerogeneradores presentes y futuros.Los conceptos más comunes usan un convertidor electrónico:

Desafíos a superar:

Tren de Potencia

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Desafíos Tecnológicos FuturosLos requisitos de conexión a red evolucionan para permitir mayor penetración eólica

Gestionando la corriente del Rótor•Específico para generadores doblemente alimentados•Gestiona sólo un 30% de la potencia típicamente

Gestionando la corriente del Estator•Necesario en generadores síncronos•Permite controlar directamente el par modulando la corriente del estátor.•Permite desacoplar el generador de la red, manejar huecos de tensión, controlar la potencia reactiva, etc…

•Es necesario mejorar las pérdidas eléctricas, especialmente a cargas parciales. Los actuales convertidores tienen rendimientos entre el 94% y el 96% (mayor a plena carga)•Necesario mejorar la competitividad y el precio de la electrónica de potencia a media tensión. •La integración de parques en HVDC podría llegar a llevarse a cabo rectificando a nivel de turbina. Imagen: RISØ

Imagen: ABB



•Constituyen una parte considerable del coste de fabricación (y la mayor parte del peso) de una turbina.• Los crecientes volúmenes de demanda en offshore pueden provocar a medio plazo una cierta escasez de suministro en estructuras específicas (piezas forjadas y de fundición), y aumento del precio de los materiales• Aún así, el creciente tamaño de los aerogeneradores demandará estructuras más resistentes y duraderas

Estructuras

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Desafíos Tecnológicos FuturosUn coste de estructuras contenido permitirá mantener la competitividad

Desafíos Relevantes:•Calidad y resistencia específica de materiales (p.e. fundición)•Optimización del diseño estructural (mejor conocimiento de las cargas de diseño)•Nuevos métodos de construcción (por ejemplo: torres de hormigón o celosía).•Mejora de los costes de montaje y obra civil•Estructuras soporte flotantes en offshore•Mejora de las cimentaciones offshore



Estructuras

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Desafíos Tecnológicos FuturosFuturas torres y cimentaciones: Más grande, más alto… más barato

Ejemplos de torres

In-situImagen: Nibe (DK)

HíbridaImagen: ATS

PrefabricadaImagen: Consolis

CelosíaImagen: Fuhrländer



Estructuras

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Desafíos Tecnológicos FuturosAdemás, el mar será un terreno de desarrollo crucial a medio y largo plazo

Ejemplos de Estructuras Soporte Offshore

1 2 3 4 51 2 3 4 5

(20-50m) (<20 m)

Aguas poco profundas Profundidades intermedias

1. Monopile

2. Gravity-based Concrete

3. Suction Bucket

4. Tripod/Tri-pile

5. Moored Tower

6. Full-Lattice Tower

7. Jacket

8. Gravity or Suction Bucket

1 2 3 4 5 6 7 8

Imagen: Hywind



Otros

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Desafíos Tecnológicos FuturosCada limitación que nos encontremos será un nuevo desafío a superar

Sistemas de actuación mejorados

1 2 3 4 51 2 3 4 5

Motores de pitch DC Brushless para mejor respuesta dinámica

Uso extendido de control individual de pitch

Algoritmos de control refinados (actividad optimizada)

Sistemas redundantes en máquinas offshore

Mejoras de fiabilidad en cajas reductoras

Paneles más compactos y fiables

Sistemas de Control específicos

Algoritmos de diagnóstico y mantenimiento predictivo

Y mucho, muchísimo más…


Fecha: 30/06/2011 Fecha: 30/06/2011 JDLLJDLL 32

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