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Seminario “Tecnologías y Diseño de Aerogeneradores”

  Conceptos de Diseño – Aerogeneradores
       Diseño Estructural de ...
Energía Eólica

                 Unidad de Negocio
IMPSA WIND




•   IMPSA es una empresa global dedicada a producir soluciones integrales para
    generación de energía el...
IMPSA WIND
IMPSA WIND


 IMPSA Wind es una unidad de negocios que diseña, produce y comercializa
 generadores eólicos de gran potenci...
IMPSA WIND



IMPSA participa en la totalidad de la CADENA DE VALOR del negocio con tecnología
propia.

                  ...
IMPSA WIND



                                                  Productos y Servicios
– Estudio de viabilidad y ejecución ...
IMPSA WIND




UNIPOWER®, diseño patentado de IMPSA, minimiza las desventajas de las
configuraciones tradicionales de los ...
IMPSA Wind utiliza tecnología de última generación para el desarrollo completo de
                                        ...
Proyectos en ejecución


   Volta do Río
     42 MW

Praia doMorgado     CEARA
    28.8 MW

Praia deParajur
              ...
Proyecto Ceara



Desarrollo de granja eólica bajo el marco del
programa PROINFA del Gobierno de Brasil.
Factor de carga: ...
Proyecto Santa Catarina


Desarrollo de granja eólica bajo el marco del
programa PROINFA del Gobierno de Brasil.
Factor de...
IMPSA Argentina – Mendoza
                          Planta I


Dedicada a la producción seriada de
generadores eólicos.

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IMPSA Argentina – Mendoza
                      Planta II
•   Tiene una superficie total de 52 Ha en donde todos los secto...
IMPSA Brasil – Suape


   Dedicada a la producción seriada de
   Generadores Eólicos.

   Nuestra planta en Suape ya tiene...
IMPSA Malasia – Lumut



•   El principal objetivo de esta planta es la
    producción de:
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INTRODUCCION A LA TECNOLOGIA EOLICA

ESTUDIOS DE SITIO
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
CONFIGURACIONES
AERODINAMICA DE PALAS
E...
Estudio de sitio

•   La campaña de medición se realiza durante al menos un año en el lugar que se tiene
    que evaluar, ...
Campaña de Medición

  Una campaña de medición implica:
  • 1 año de medición como mínimo.
  • Selección de todas las magn...
Estudio de Sitio

LA ROSA DE LOS VIENTOS: La rosa de los vientos nos suministra información estadística sobre la disponibi...
Distribución de Probabilidad

Con las medidas de velocidad se determina cuál es la distribución de velocidades de viento e...
Clase de sitio


•   Determinación de la clase del sitio:
•   Que aerogenerador es acorde a las condiciones en el sitio?
 ...
Energía capturada
                                                                                                        ...
Mapas eólicos

En general, contienen información como:

• Velocidad media a distintas alturas.
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Identificación y cuantificación de incertezas

Algunas fuentes y rangos de errores en la medición:
• Calibración de anemóm...
Características
Viento                       Empuje Aerodinámico                             Energía
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Energía del Viento


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Energía del Viento (cont.)
                                                     La ley de Betz                            ...
Pot. del viento, Betz y turbina comercial
Tipos de Emplazamientos
On Shore
Tipos de Emplazamientos
Off Shore
Tipos de Aerogeneradores
Turbinas de eje Horizontal   Turbinas de eje Vertical
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Diseños Actuales
             Aerogeneradores Asíncronos
                 CAJA
            MULTIPLICADORA                 ...
Diseños Actuales
                   Aerogeneradores Síncronos
       ANILLOS                     ESTATOR
     DESLIZANTES ...
Generador Síncrono - UNIPOWER ®
          CUBO ROTOR




                              UNIPOWER ®

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Evolución de tamaños




   P = ½ · ρ · v3 · A · η
Objetivos mundiales
•   Máxima eficiencia y confiabilidad

•   Mínimo mantenimiento

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Flujo sobre una sección alar
   Capa limite laminar                 Capa limite turbulenta




       Transición laminar t...
Fuerzas sobre un perfil



 Fuerza de sustentación



 Fuerza de resistencia




Cuerda perfil

Ancho perfil
Curvas de una sección a diferentes Re
Limitación de potencia
Curvas de potencia
Distribución y torsión de perfiles

        Alto Cl/Cd
   No sensible a suciedad
        Bajo ruido



Compatible geométri...
Coeficiente de potencia (Cp.) vs. rpm.
Potencia y torque vs. rpm.
Cp vs. Lambda para varios pitch
Cp vs. Lambda para varios pitch
Curvas Típicas

                  26                                                                        2600          ...
Viento sobre el rotor

                                                                  Variación en la velocidad del
   ...
Rotores típicos

  Turbinas de eje horizontal (HAWT)
Monopala:
•   Bajo costo.
•   Alto impacto visual.
•   Alto nivel de ...
Configuración base
                             Soluciones típicas
                                    Pieles: diseñadas p...
Configuración base

Uniones al rodamiento




 “Comportamiento mecánico de las juntas tipo T-
    bolt en materiales compu...
Diseño

  Proceso de diseño
                 Prediseño



Simulación                      Modelado 3D
aeroelástica

 Carga...
Diseño

Guías y estándares de diseño

               Existen muchas fuentes de información
               que asisten en e...
Diseño

Filosofía de factores de seguridad

          IEC 61400-1:
Diseño

                           Datos de entrada
                 Datos                Conceptos

1. Geometría:        ...
Diseño

Blade Element – Momentum (BEM)

            Disco actuador:
            •   Flujo axial + rotación.
            • ...
Diseño

                                 Estudios por CFD
                                                   Perfiles grue...
Diseño
                                   Materiales
Refuerzos
Los refuerzos permiten ajustar las
     propiedades
hacia d...
Diseño

                                    Materiales
Matriz
•   Mantiene los cabos de refuerzo
    unidos (resistencia t...
Diseño

           Materiales




Espuma                              Madera
                                     Balsa
  ...
Diseño

Ensayo de Materiales
                       Los materiales
                       compuestos no
                  ...
Diseño

                             Posicionado de telas

Corte a medida:
•Diseño simple.
•Necesidad de corte de plantill...
Diseño
 Naturaleza de las cargas




•Inercial: se consideran la gravedad terrestre, vibración
de componentes y sismos.
•A...
Diseño

                                Casos de carga

                                          La vida en servicio de u...
Análisis por elementos finitos

                        CAD/CAE
Es fundamental integrar las diferentes etapas de diseño pa...
Análisis por elementos finitos

                El método de elementos finitos
“La base del método consiste en resolver un...
Análisis por elementos finitos

                    Herramientas de cálculo




                                          ...
Análisis por elementos finitos


                                        Software

                                       ...
Análisis por elementos finitos

                                  Propiedades


                                       •Se...
Resistencia estática


                 Resistencia última

                                      •Se usa un modelo de pre...
Resistencia estática


Estabilidad (pandeo)



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             local (im...
Resistencia estática


              Pretensado

                                  El pretensado reduce las cargas que
   ...
Análisis Modal

Auto valores



      •En este análisis se determinan las
      frecuencias y modos de vibrar (forma).
   ...
Resistencia dinámica

                                                  Diagrama de Campbell
                   2

       ...
Durabilidad

Resistencia de materiales


          •Los plásticos reforzados
          con vidrio resisten más los
       ...
Durabilidad

                           Análisis de fatiga
                                         •El viento es aleatori...
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Modelos
Fabricación y ensayos
Moldes
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Presentación de IMPSA en el Seminario "Tecnologías y Diseño de Aerogeneradores" organizado por la Agencia Comodoro Conocimiento y el Centro de Energías Renovables, junio de 2010.

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IMPSA

  1. 1. Seminario “Tecnologías y Diseño de Aerogeneradores” Conceptos de Diseño – Aerogeneradores Diseño Estructural de Palas Ing. Nicolás Alday Hegouaburu nicolas.alday@impsa.com Diseño Estructural IMPSA Wind - Mendoza
  2. 2. Energía Eólica Unidad de Negocio
  3. 3. IMPSA WIND • IMPSA es una empresa global dedicada a producir soluciones integrales para generación de energía eléctrica a partir de recursos renovables. • IMPSA ha cumplido cien años. • Desde su creación en 1907, experimentó un crecimiento permanente hasta llegar a lo que es en la actualidad: una empresa comprometida con sus Clientes, que crea soluciones integrales de alto valor, responsable socialmente con las comunidades en las que trabaja, con profunda conciencia medioambiental y vocación de largo plazo en la investigación y desarrollo de tecnologías sustentables. • En la actualidad la empresa cuenta con un Backlog de proyectos de generación de energía eléctrica a partir de recursos renovables que supera los 6.000 MW de capacidad instalada y 1.600 MM de USD.
  4. 4. IMPSA WIND
  5. 5. IMPSA WIND IMPSA Wind es una unidad de negocios que diseña, produce y comercializa generadores eólicos de gran potencia, y desarrolla granjas eólicas en condiciones EPC. Es la única compañía en Latinoamérica que tiene su propia tecnología para este tipo de equipos. IMPSA Wind nació como el resultado de la sinergia entre las diferentes unidades de negocios de la compañía. Unidad de Negocios Tecnología Mecánica de fluidos y generadores IMPSA Hydro sincrónicos Estructuras altas y conversión de IMPSA Port Systems frecuencia ICSA automatización Cuenta con su diseño innovador propio (UNIPOWER)® para generadores eólicos de 1MW, 1.5 MW y 2.1 MW. Actualmente está expandiendo su concepto a generadores de 3 MW.
  6. 6. IMPSA WIND IMPSA participa en la totalidad de la CADENA DE VALOR del negocio con tecnología propia. Generación de I+D Fabricación Construcción Energía
  7. 7. IMPSA WIND Productos y Servicios – Estudio de viabilidad y ejecución de proyectos de granjas eólicas. – Diseño, fabricación, instalación y puesta en marcha de generadores eólicos. – Soluciones llave en mano. – Ejecución de contratos EPC para proyectos de energía eólica. – Servicios de post-venta. – Operación & Mantenimiento (O&M).
  8. 8. IMPSA WIND UNIPOWER®, diseño patentado de IMPSA, minimiza las desventajas de las configuraciones tradicionales de los generadores de transmisión directa (tamaño y peso), pero mantiene su ventaja principal (sin caja multiplicadora). UNIPOWER® fusiona en un solo componente las funciones tradicionales del generador eléctrico y el cubo rotor minimizando las partes activas, reduciendo las pérdidas y tiempos muertos por mantenimiento. UNIPOWER® utiliza imanes permanentes y control de potencia por paso de palas, optimizando la captura de energía a distintas velocidades de viento.
  9. 9. IMPSA Wind utiliza tecnología de última generación para el desarrollo completo de la ingeniería. • El diseño inicial del equipo comienza con las decisiones sobre los principales parámetros de operación (potencia y características de viento – turbulencia e intensidad). • A partir de ese punto es necesario diseñar los perfiles de palas y determinar las cargas máximas, los parámetros del generador, las principales características mecánicas y la estrategia de control.
  10. 10. Proyectos en ejecución Volta do Río 42 MW Praia doMorgado CEARA 28.8 MW Praia deParajur ú 28.8 MW Agua Doce 125.8MW SANTA CATARINA BomJardín daSerra 90 MW
  11. 11. Proyecto Ceara Desarrollo de granja eólica bajo el marco del programa PROINFA del Gobierno de Brasil. Factor de carga: 47% El contracto es bajo el esquema de “Llave en mano”, donde IMPSA debe proveer: • Equipamiento • Montaje • Puesta en marcha • Operación y mantenimiento Capacidad total ha instalar: 100 MW Inversión total aprox. US$ 280 MM
  12. 12. Proyecto Santa Catarina Desarrollo de granja eólica bajo el marco del programa PROINFA del Gobierno de Brasil. Factor de carga: 37.7% El contracto es bajo el esquema de “Llave en mano”, donde IMPSA debe proveer: • Equipamiento • Montaje • Puesta en marcha • Operación y mantenimiento Capacidad total ha instalar: 216 MW Inversión total aprox. US$ 715 MM
  13. 13. IMPSA Argentina – Mendoza Planta I Dedicada a la producción seriada de generadores eólicos. • Capacidad anual de producción: 70 sets de palas 70 generadores • Superficie de producción: 21,300 m2
  14. 14. IMPSA Argentina – Mendoza Planta II • Tiene una superficie total de 52 Ha en donde todos los sectores de la compañía están concentrados (I+D, Ingeniería, Comercial, Operación, Recursos Humanos, Administración y Finanzas). Dedicado a todos los productos de IMPSA. • Operaciones dispone de un Centro de producción formado por las siguientes naves: – Nave I – Mecanizado y Estructura; – Nave III – Estructuras; – Nave de Generadores; – Nave IV – Estructuras; – Nave V – Amolado; – Nave de Ajuste; – Nave Trazado y Corte; – Nave de granallado y pintura. • La nave más grande es la N°1 (225 x 33 x 35) m.
  15. 15. IMPSA Brasil – Suape Dedicada a la producción seriada de Generadores Eólicos. Nuestra planta en Suape ya tiene ordenes para más de un año de producción. • Capacidad de producción anual: 200 unidades • Superficie de producción: 13,000 m2 • Superficie de administración: 4,000 m2
  16. 16. IMPSA Malasia – Lumut • El principal objetivo de esta planta es la producción de: – Grúas de puerto, – Equipos hidromecánicos, – Componentes estructurales para unidades de generación hidráulica, – Generadores eólicos. • Superficie de producción: 20.910 m2. • Capacidad anual de producción: 50 generadores eólicos.
  17. 17. INTRODUCCION A LA TECNOLOGIA EOLICA ESTUDIOS DE SITIO PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO CONFIGURACIONES AERODINAMICA DE PALAS ESTRUCTURA DE PALAS ENSAYOS MONTAJE
  18. 18. Estudio de sitio • La campaña de medición se realiza durante al menos un año en el lugar que se tiene que evaluar, gracias a una torre de medición dotada de anemómetros, veletas, sensores de presión y de temperatura. Esta campaña permite obtener datos correspondientes, de manera continua, cada diez minutos. Luego se calcula el potencial eólico del lugar gracias a un software de simulación WASP, a partir de los datos colectados en la campaña de medición, y de los datos provenientes de la estación meteorológica más cercana. Después del proceso estadístico del conjunto de estos datos, se establece el potencial eólico (velocidades medias, perfil vertical de velocidad, rosa de los vientos...) y se valora la producción de cada molino de viento del parque eólico.
  19. 19. Campaña de Medición Una campaña de medición implica: • 1 año de medición como mínimo. • Selección de todas las magnitudes físicas a medir. • Selección del equipamiento: Tipo y características. • Determinar el número y ubicación de las torres. • Establecer alturas de medición. • Establecer la frecuencia de muestreo y el intervalo de registro. • Establecer como será almacenada la información. • Diseñar todo de acuerdo a los estándares en la materia. • Diseño del sistema de alimentación. • Diseño de fundación y configuración de riostras para la erección. • Montaje de la torre e instrumentos. Cableado. Puesta en marcha. • Revisión periódica del equipamiento. • Establecer procedimientos para el procesamiento de los datos recolectados.
  20. 20. Estudio de Sitio LA ROSA DE LOS VIENTOS: La rosa de los vientos nos suministra información estadística sobre la disponibilidad de energía eólica y la frecuencia en el tiempo. Son dados los porcentajes de frecuencia del tiempo de ocurrencia del viento que llega en cada sector, el porcentaje de energía eólica disponible en cada sector, mas allá del nivel de turbulencia. La dirección de los vientos es importante para el cálculo de la energía generada por una determinada planta eólica y también para la optimización a la hora de escoger los lugares en que quedarán alineados los aerogeneradores. Anemómetro: El anemómetro más utilizado es el anemómetro de cazoleta. El anemómetro gira a una velocidad proporcional a la velocidad del viento originando una señal eléctrica proporcional a la velocidad de giro. Veleta: La veleta determina la dirección del viento. Ella está formada por un elemento móvil que puede girar libremente para orientarse en la dirección del viento, y un transductor que permite traducir esa posición a una señal eléctrica.
  21. 21. Distribución de Probabilidad Con las medidas de velocidad se determina cuál es la distribución de velocidades de viento en un lugar, es decir, el número de horas al año que vamos a tener una determinada velocidad de viento. Se utiliza la distribución de Weibull para caracterizar la mayoría de los sitios. Ley exponencial de Hellmann: La velocidad del viento varía con la altura, siguiendo aproximadamente una ecuación de 14.0% 12.0% tipo estadístico, conocida como ley exponencial de Hellmann. Probability Density Function 10.0% 8.0% Measurements Weibull fitting. K=2.5. C=9.02 6.0% 4.0% 2.0% 0.0% 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 Wind Speed [m ] /s Valores del exponente de Hellmann en función de la rugosidad del terreno Lugares llanos con hielo o hierba a=0.08 – 0.12 Lugares llanos (mar, costa) a=0.14 Terrenos poco accidentados a=0.13 – 0.16 Zonas rústicas a=0.2 Terrenos accidentados o bosques a=0.2 – 0.26 Terrenos muy accidentados y ciudades a=0.25 – 0.4
  22. 22. Clase de sitio • Determinación de la clase del sitio: • Que aerogenerador es acorde a las condiciones en el sitio? – IEC 61400-1 Clase I, II, III, S – Parámetros ha calcular a altura de Hub: • Valores extremos (por ejemplo, a través de una distribución de Gumbel). • Distribución de probabilidad de intensidad de viento (Weibull). • Turbulencia. • Otros (corte, rango de temperatura, salinidad, etc). Importancia: Garantizar la integridad estructural del aerogenerador durante toda la vida del parque y su operación segura bajo condiciones normales y extremas.
  23. 23. Energía capturada 1800 12.0% 1600 10.0% 1400 Power curve corrected by air density 1200 8.0% Power [kW] 1000 1800 800 6.0% 1600 600 4.0% 1400 400 1200 200 2.0% Power [kW] 0 1000 Vcut- Rho=1.225 Kg/m3 -200 0 5 10 15 20 25 0.0% 800 in Rho=0.997 Kg/m3 Wind speed [m/s] 600 400 Vnom Rho=1.225 Kg/m3 Rho=0.997 Kg/m3 Weibull 200 0 Vcut- out -200 0 5 10 15 20 25 Wind speed [m/s] v cut − out E ∑ Pi Wi T E = T ∫ P ( v ) W ( v ) dv 0 AEP CF = P(V) Pi Pn T W(V) Wi
  24. 24. Mapas eólicos En general, contienen información como: • Velocidad media a distintas alturas. • Densidad de potencia. • Rosas de los vientos. • Topografía. • Parámetros de Weibull. • Trazado de líneas de transmisión. • Temperatura. • Densidad de aire.
  25. 25. Identificación y cuantificación de incertezas Algunas fuentes y rangos de errores en la medición: • Calibración de anemómetros (1.0%;5%) • Variaciones o cambios en la calibración (0.2%;3.0%) • Anemómetro fuera de la vertical (0.2%;1.5%) • Overspeeding (0.2%;1.0%) • Distorsión del flujo generado por la torre (0.5%;2.0%) • Distorsión del flujo generado por los soportes (0.5%;2.0%) • Distorsión del flujo generado por otras causas (0.1%;2.0%) • Incertezas en la cuantificación y almacenamiento de la información (0.2%;1.0%) Otras fuentes de errores que deben ser cuantificadas: • Modelo de Shear • Extrapolación espacial • Correlaciones a largo plazo • Incertezas en la curva de medición Más perdidas deben ser consideradas: Histéresis. Degradación de las palas. Pérdidas eléctricas en la red interna, subestaciones y líneas de transmisión. Disponibilidad de los aerogeneradores y de la red. *Valores tomados de la recomendación de la IEA
  26. 26. Características Viento Empuje Aerodinámico Energía Momento de rotación residual del aire Energía Cinética Rotor: del aire Dispositivo de cambio de paso Rodamientos del rotor Seguimiento de la dirección del viento Freno (mec./aerod.) Transformación del momento de rotación Caja Multiplicadora Control del momento de rotación Control de temperatura Transformación Generador: Mecánica / Eléctrica Control de potencia Control de temperatura Control: Consumidor Control General Sistema de seguridad
  27. 27. Energía del Viento MÁXIMA POTENCIA EXTRAIBLE Un aerogenerador obtiene su potencia de entrada convirtiendo la fuerza del viento en un par (fuerza de giro) actuando sobre las palas del rotor. La cantidad de energía transferida al rotor por el viento depende de: densidad del aire área de barrido del rotor velocidad del viento. P = ½ · ρ · v3 · A · η La animación muestra cómo una porción cilíndrica de aire de 1 metro de espesor pasa a través del rotor de un aerogenerador típico de 1.000 kW. Con un rotor de 54 metros de diámetro cada cilindro pesa aproximadamente 2,8 toneladas.
  28. 28. Energía del Viento (cont.) La ley de Betz Cizallamiento La ley de Betz dice que sólo puede convertirse menos de Depende de las características del 16/27 (el 59 %) de la energía cinética en energía mecánica terreno e influye directamente en la usando un aerogenerador. Fue formulada por primera vez turbulencia del viento y en la altura de por el físico alemán Albert Betz en 1919. Su libro "Wind- la torre. Energie", publicado en 1926, proporciona buena parte del conocimiento que en ese momento se tenía sobre energía eólica y aerogeneradores 0.70 Relación de Potencias (P/P0) 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 Relación de Velocidades (V2/V1) Cuanto mayor sea la energía cinética que un aerogenerador extraiga del viento, mayor será la ralentización que sufrirá el viento que deja el aerogenerador P = ½ · ρ · v3 · A · η
  29. 29. Pot. del viento, Betz y turbina comercial
  30. 30. Tipos de Emplazamientos On Shore
  31. 31. Tipos de Emplazamientos Off Shore
  32. 32. Tipos de Aerogeneradores Turbinas de eje Horizontal Turbinas de eje Vertical
  33. 33. Diferencias - Número de palas
  34. 34. Diseños Actuales Aerogeneradores Asíncronos CAJA MULTIPLICADORA EJE RÁPIDO EJE LENTO GENERADOR ASÍNCRONO ROTOR GÓNDOLA TORRE
  35. 35. Diseños Actuales Aerogeneradores Síncronos ANILLOS ESTATOR DESLIZANTES EXTERNO GÓNDOLA EJE ROTOR TURBINA POLOS TORRE BOBINADOS
  36. 36. Generador Síncrono - UNIPOWER ® CUBO ROTOR UNIPOWER ® ESTATOR INTERNO POLOS IP
  37. 37. Evolución de tamaños P = ½ · ρ · v3 · A · η
  38. 38. Objetivos mundiales • Máxima eficiencia y confiabilidad • Mínimo mantenimiento • Diseño escalable a potencias mayores (fabricación seriada) Objetivos adicionales (Argentina) • Independencia tecnológica • Maximización de componentes nacionales y desarrollo de proveedores locales • Precio fuertemente competitivo
  39. 39. Flujo sobre una sección alar Capa limite laminar Capa limite turbulenta Transición laminar turbulento Transición laminar turbulento Desprendimiento Transición laminar turbulento Recirculación Flujo desprendido Transición laminar turbulento
  40. 40. Fuerzas sobre un perfil Fuerza de sustentación Fuerza de resistencia Cuerda perfil Ancho perfil
  41. 41. Curvas de una sección a diferentes Re
  42. 42. Limitación de potencia
  43. 43. Curvas de potencia
  44. 44. Distribución y torsión de perfiles Alto Cl/Cd No sensible a suciedad Bajo ruido Compatible geométricamente No sensible a suciedad Buenas características aerodinámicas Buenas características estructurales Compatible geométricamente
  45. 45. Coeficiente de potencia (Cp.) vs. rpm.
  46. 46. Potencia y torque vs. rpm.
  47. 47. Cp vs. Lambda para varios pitch
  48. 48. Cp vs. Lambda para varios pitch
  49. 49. Curvas Típicas 26 2600 0.9 24 2400 0.8 22 2200 RPM 20 Pitch 2000 Pot 0.7 18 1800 16 1600 0.6 14 1400 Ct RPM - PITCH (°) Potencia (Kw) 0.5 Cp Cp - Ct 12 1200 10 1000 0.4 8 800 6 600 0.3 4 400 2 200 0.2 0 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0.1 -2 -200 -4 -400 0 -6 -600 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 viento (mps) viento (mps) P = ½ · ρ · v3 · A · η
  50. 50. Viento sobre el rotor Variación en la velocidad del Velocidad media viento (ráfaga, turbulencia) Flujo irregular sobre el rotor debido a: Dirección media Capa limite a partir del Flujo oblicuo suelo (perfil vertical) Oscilación en la velocidad del viento (ráfagas) Sombra de Cambio en la dirección del la torre viento (flujo oblicuo) Eje de la máquina Influencia del viento por el Perfil vertical mismo aerogenerador (góndola y torre)
  51. 51. Rotores típicos Turbinas de eje horizontal (HAWT) Monopala: • Bajo costo. • Alto impacto visual. • Alto nivel de ruido. • Baja complejidad mecánica . • Baja eficiencia. Bipala: • Costo medio. • Impacto visual medio. • Bajo nivel de ruido. • Alta complejidad mecánica. • Eficiencia media. Tripala: • Alto costo. • Bajo impacto visual. • Nivel de ruido medio. • Complejidad mecánica media. • Alta eficiencia. www.windpower.org
  52. 52. Configuración base Soluciones típicas Pieles: diseñadas para dar forma aerodinámica. Telas centrales: diseñadas para resistir la flexión. www.owenscorning.com “Blade manufacturing improvements - development of the ERS100 blade” SAND2001- Vigas de corte: diseñadas para 1381 mantener la forma aerodinámica.
  53. 53. Configuración base Uniones al rodamiento “Comportamiento mecánico de las juntas tipo T- bolt en materiales compuestos gruesos”, doctoral thesis, D. Víctor Martinez Moll
  54. 54. Diseño Proceso de diseño Prediseño Simulación Modelado 3D aeroelástica Cargas Materiales FEA Planos y procedimientos Certificación del diseño Fabricación Ensayos
  55. 55. Diseño Guías y estándares de diseño Existen muchas fuentes de información que asisten en el diseño de las turbinas. •Guías. •Estándares. •Publicaciones científicas. Necesidad de certificar diseño para obtener márgenes de seguridad. Se aprovecha el know-how de la indústria. IEC es un comité internacional. IEC61400 es específico sobre diseño de turbinas eólicas.
  56. 56. Diseño Filosofía de factores de seguridad IEC 61400-1:
  57. 57. Diseño Datos de entrada Datos Conceptos 1. Geometría: •Blade Element Momentum • Datos de perfiles. Theory (BEM). • Distribuciones de cuerda, •Diseño de perfiles. espesor y alabeo. •Optimización de fabricación. 2. Materiales: •Datos experimentales. •Propiedades elásticas. •Teoría clásica de placas laminadas. •Límites admisibles. • Modelo Halpin-Tsai. •Espesor de tela curada (CPT). •Casos de carga de diseño. 3. Cargas: •Clase del viento •Cargas estáticas de diseño. •Potencia de salida. •Cargas dinámicas de diseño.
  58. 58. Diseño Blade Element – Momentum (BEM) Disco actuador: • Flujo axial + rotación. • Puede analizar eficiencia del rotor mediante factores de inducción. Elementos de pala: • Cada pala se divide por elementos independientes entre sí. • Se evalúa el flujo de aire local. • Permite calcular el arrastre y torque de cada pala. • Se puede encontrar la geometría óptima de la pala.
  59. 59. Diseño Estudios por CFD Perfiles gruesos: El creciente aumento del tamaño de las palas y la necesidad de mantener los costos a niveles competitivos, obliga a tener un balance entre conceptos aerodinámicos y estructurales. Es necesario emplear perfiles gruesos en zonas cercanas a la raíz donde los métodos convencionales de cálculo ya no son válidos y se emplea CFD para superar esta barrera. Puntera: El método BEM asume que cada perfil es independiente y para las zonas de raíz y punta agrega coeficientes de ajusta. Se emplea CFD para verificar estos coeficientes y optimizar el diseño de la puntera.
  60. 60. Diseño Materiales Refuerzos Los refuerzos permiten ajustar las propiedades hacia donde son necesarias. Esta ventaja produce estructuras más livianas que reducen las cargas inerciales sobre la turbina. www.marinecomposites.com
  61. 61. Diseño Materiales Matriz • Mantiene los cabos de refuerzo unidos (resistencia transversal), • Protege los refuerzos de la exposición ambiental. • Distribuye las cargas entre los cabos. • Resiste las cargas dinámicas. www.marinecomposites.com
  62. 62. Diseño Materiales Espuma Madera Balsa www.marinecomposites.com DIAB group web page
  63. 63. Diseño Ensayo de Materiales Los materiales compuestos no comparten los milenios de desarrollo del acero. Por lo tanto, se requieren campañas extensas de ensayos para confirmar las propiedades mecánicas.
  64. 64. Diseño Posicionado de telas Corte a medida: •Diseño simple. •Necesidad de corte de plantillas. •Requerimiento de mano de obra excesivo. Cintas: •Cálculo complejo. •No necesita plantillas. Rollos de ancho constante. •Requerimiento de mano de obra reducido.
  65. 65. Diseño Naturaleza de las cargas •Inercial: se consideran la gravedad terrestre, vibración de componentes y sismos. •Aerodinámica: se debe fundamentalmente al viento, el cual se analiza estadísticamente dada su naturaleza aleatoria. •Actuadores: se contemplan los efectos del sistema de control y de seguridad. “Wind Energy Handbook” – Wiley & sons
  66. 66. Diseño Casos de carga La vida en servicio de una turbina se simula mediante un grupo de situaciones de operación esperables. Los casos de carga son las combinaciones más desfavorables de todas las condiciones de diseño. El estándar IEC61400-1 da una lista de los casos de carga mínimos necesarios que se deben considerar en el diseño. IEC61400-1 Wind Turbines Part 1: Design requirements
  67. 67. Análisis por elementos finitos CAD/CAE Es fundamental integrar las diferentes etapas de diseño para minimizar errores y reducir costos. Simulación numérica + Modelado 3D+ Planos de fabricación
  68. 68. Análisis por elementos finitos El método de elementos finitos “La base del método consiste en resolver un problema complejo mediante la integración de un grupo de soluciones elementales conocidas” Necesidades: Modelo •Evaluar concentraciones de tensiones. geométrico •Evaluar inestabilidades locales. •Reducir márgenes de seguridad asociados Reemplazo de la estructura a lo desconocido. Materiales y mediante espesores elementos Cargas (Propiedades) conocidos (Mallado) Solución local para cada elemento Solución global
  69. 69. Análisis por elementos finitos Herramientas de cálculo Estructuras (FEA) Aerodinámica (CFD) Las herramientas empleadas han sido validadas por la industria por más de 30 años. Es importante conocer las herramientas a fondo para aprovecharlas al máximo.
  70. 70. Análisis por elementos finitos Software MSC PATRAN – NASTRAN •Permite mallar en forma precisa. •Permite modelar laminados en forma rápida. •Visualiza resultados en cada tela. ANSYS •Conectividad directa con el CAD. •Simplifica el manejo de conjuntos. •Simplifica el análisis de contactos.
  71. 71. Análisis por elementos finitos Propiedades •Se programó una herramienta interna para definir el laminado en cada elemento. •Una definición correcta de las propiedades caracteriza el comportamiento real de la pala.
  72. 72. Resistencia estática Resistencia última •Se usa un modelo de predicción de falla que está basado en fenómenos en vez de coeficientes de ajuste empíricos. •Se obtienen índices de falla para la fibra y la matriz por separado. •Los índices generados permiten al diseñador optimizar el entelado. Dados los coeficientes de seguridad impuestos por los estándares, las prediciones de falla en realidad son límites de certificación. La falla real se alcanza bajo cargas muy superiores a las de diseño.
  73. 73. Resistencia estática Estabilidad (pandeo) •Se verifica tanto la falla global como local (importante para estructuras sandwich). •Los límites admisibles se especifican en los estándares de diseño.
  74. 74. Resistencia estática Pretensado El pretensado reduce las cargas que absorben los bulones de las palas. “Comportamiento mecánico de las juntas tipo T- bolt en materiales compuestos gruesos”, Doctoral Thesis, D. Víctor Martinez Moll
  75. 75. Análisis Modal Auto valores •En este análisis se determinan las frecuencias y modos de vibrar (forma). •Con estos resultados se comparan el modelo aeroelástico y el producido por elementos finitos, asegurando la precisión en la predicción de cargas. •También se obtienen los modos de alabeo que son fundamentales para analizar la estabilidad aeroelástica.
  76. 76. Resistencia dinámica Diagrama de Campbell 2 1.8 1.6 1X 1.4 2X Eigenvalue (Hz) 3X •Dado que la turbina opera bajo 1.2 f1 1 f2 un rango de velocidades, los f1-12 desbalanceos del rotor pueden 0.8 f1+12 forzar los modos propios de la f2-12 0.6 f2+12 estructura y producir resonancia. 0.4 •El diagrama de campbell muestra 0.2 las zonas que deben evitarse mediante un control adecuado. 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 Rotational speed (rpm) •Las frecuencias de vibración de las palas aumentan con la velocidad de rotación.
  77. 77. Durabilidad Resistencia de materiales •Los plásticos reforzados con vidrio resisten más los esfuerzos de fatiga que el acero convencional dado que pueden atrapar fisuras entre las fibras.
  78. 78. Durabilidad Análisis de fatiga •El viento es aleatorio por naturaleza. Se requiere una representación simplificada que permita comparar los esfuerzos generados con datos de probetas estandarizadas. •El espectro completo de cargas se procesa mediante la técnica de conteo Rainflow. Este proceso produce señales senoidales de diferentes valores medios y alternados. •Se genera un campo de deformaciones unitario para transformar las cargas en deformaciones. •Se compara el esfuerzo contra la resistencia y se determina el daño por fatiga.
  79. 79. Fabricación y ensayos Modelos
  80. 80. Fabricación y ensayos Moldes
  81. 81. Fabricación de Moldes • Verificación estructural
  82. 82. Fabricación y ensayos Infusión de palas
  83. 83. Fabricación y ensayos Ensayo estático
  84. 84. Banco de ensayo
  85. 85. Fabricación y ensayos Ensayo dinámico
  86. 86. SCADA
  87. 87. Energía Eólica ¡ Muchas Gracias por vuestra atención !

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