Principio de funcionamiento de la turbina eólica de eje horizontal (HAWT) | Aerogeneradores de una, dos y tres palas

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Esta sección presenta la turbina eólica de eje horizontal (HAWT), que es, con diferencia, el tipo de turbina eólica más común. Las turbinas eólicas de eje horizontal pueden producir menos de 100 kW para aplicaciones residenciales y de carga base, o hasta 6 MW para la generación de energía en alta mar. Turbinas aún más grandes están en el tablero de dibujo.

Principio de funcionamiento de la turbina eólica de eje horizontal

Una turbina eólica de eje horizontal (HAWT) es una turbina eólica en la que el eje del rotor principal está orientado hacia el viento para extraer energía. Los componentes principales de un HAWT básico se muestran en la Figura 1.

El rotor recibe energía del viento y produce el par en un eje de baja velocidad. El eje de baja velocidad transfiere potencia a una caja de cambios, un eje de alta velocidad y un generador, que está encerrado en la góndola para su protección.

Observe cómo las palas están unidas al rotor y al eje. Este eje se denomina eje de baja velocidad porque el viento hace girar el conjunto giratorio a una velocidad pausada, normalmente de 10 a 20 revoluciones por minuto (rpm).

Figura 1 Partes básicas de una turbina eólica de eje horizontal

El eje lento se conecta a la caja de cambios, que tiene una serie de engranajes que aumentan la velocidad de salida del eje a unas 1800 rpm para una frecuencia de salida de 60 Hz (o una velocidad de 1 500 rpm si la frecuencia es de 50 Hz). Por esta razón, el eje de la caja de cambios se denomina eje de alta velocidad.

el es Eje de alta velocidad luego se conecta al generador, que convierte el movimiento giratorio en voltaje alterno. Esta velocidad es crítica si se usa para girar directamente el generador porque la frecuencia de la corriente alterna del generador está directamente relacionada con la velocidad a la que gira.

Casi todas las turbinas eólicas de eje horizontal tienen componentes similares a los discutidos en este artículo, pero hay algunas excepciones.. Por ejemplo, aerogeneradores de accionamiento directo no tienen una caja de cambios y, por lo general, tienen un generador de CC en lugar de un generador de CA. Estos pueden o no incluir un convertidor de CA (que puede estar ubicado en la base de la torre).

En las turbinas comerciales, el controlador es una computadora o un controlador lógico programable (PLC). El controlador toma datos de un anemómetro determinar la dirección en la que debe apuntar el aerogenerador, cómo optimizar la energía extraída o cómo evitar el exceso de velocidad en caso de vientos fuertes.

Control de frecuencia de salida de turbina eólica

La frecuencia de salida se puede controlar y mantener constante a pesar de los vientos variables en cualquiera de los dos tres maneras.

De una sola mano Controla la velocidad a la que gira el eje del generador, lo que se puede lograr ajustando el cabeceo y la guiñada.

Tierra es el ángulo de rotación de las palas de los aerogeneradores; estacada la dirección en la que apuntan las palas del aerogenerador y la góndola.

  • El cabeceo y la guiñada se pueden ajustar para que un eje de alta velocidad gire a una velocidad constante para producir la frecuencia de salida requerida (generalmente 50 Hz o 60 Hz) del generador.
  • Los HAWT también pueden usar una caja de cambios o un conjunto de engranajes, que hacen que el generador gire más rápido que la lenta rotación de las palas.
  • La rotación óptima de las palas suele estar entre 10 y 20 rpm, y la relación de transmisión se puede utilizar para hacer girar el eje de alta velocidad a la velocidad requerida por el generador.

el es segundo método controlar la frecuencia es permitir que la turbina gire libremente a cualquier velocidad dentro de sus valores nominales y enviar el voltaje a un convertidor de frecuencia electrónico de potencia. Este método también se utiliza con aerogeneradores de eje vertical (VAWT).

  • Cuando se utiliza un convertidor de frecuencia, la velocidad de rotación de la turbina no se controla hasta que se alcanza la velocidad máxima, momento en el cual los controles de velocidad toman el control.
  • El convertidor de frecuencia incluye las características que se muestran en la Figura 2. El inversor acepta corriente alterna monofásica o trifásica en sus circuitos de entrada dentro de un rango de frecuencia y un nivel de voltaje especificados.
  • El rectificador filtra y convierte la corriente CA en CC y la suaviza con filtros pasivos para eliminar cualquier rastro de la frecuencia de entrada.
  • La siguiente parte contiene un inversor que vuelve a convertir el voltaje de CC en voltaje de CA monofásico o trifásico a la frecuencia y fase exactas requeridas por la red.
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Este método tiene la ventaja de una gama más amplia de condiciones de funcionamiento sin necesidad de engranajes más complejos.

Diagrama funcional del convertidor de frecuencia de electrónica de potencia

Figura 2 Diagrama funcional del convertidor de frecuencia de electrónica de potencia

Algunas aplicaciones pueden utilizar corriente continua pura, que se puede obtener de un punto anterior al inversor.

El aerogenerador de eje horizontal más grande del mundo

Figura 3: El aerogenerador de eje horizontal más grande del mundo

Vestas tiene planes para la turbina eólica más grande del mundo. Las palas de este aerogenerador tendrán un diámetro de 164 metros (538 pies) y una capacidad nominal de 8 megavatios. La nueva turbina eólica será una turbina eólica marina ubicada cerca del puerto de Aberdeen en Escocia.

Las partes internas de un convertidor de frecuencia electrónico de potencia comercial se muestran en la Figura 4.

Convertidor de frecuencia electrónico de potencia

Figura 4 Convertidor de frecuencia electrónico de potencia

el es tercer camino El control de la frecuencia de salida del generador implica el uso de un generador de tipo inductivo de doble alimentación en el que la corriente de campo alterno se controla estrictamente a la frecuencia de salida requerida alimentando la corriente a través de un circuito electrónico que produce una frecuencia precisa.

Torres HAWT

Una torre de turbina eólica de eje horizontal puede tener de 40 a 100 m (alrededor de 130 a 328 pies) de altura, de modo que sea lo suficientemente alta como para colocar la pala de la turbina eólica en el flujo de viento más fuerte. Los vientos más fuertes están muy por encima del nivel del suelo en la mayoría de los sitios.

Hoy en día, la mayoría de las grandes torres de turbinas eólicas que se utilizan para generar electricidad para los servicios públicos tienen entre 65 y 100 m de altura.

El Encore E126, instalado recientemente en Alemania, tiene una torre de 138 m (453 pies) de altura. Las palas están montadas en el eje principal, en un rotor a una distancia considerable por delante de la torre, por lo que están lo suficientemente separadas para despejar la torre cuando giran las palas.

Controlador

El paso de las palas y la dirección en la que están orientadas las turbinas ya se han descrito como funciones supervisadas por el controlador.

el es controlador Los sensores también se utilizan para medir la salida del generador (voltaje y frecuencia), la velocidad de los álabes de la turbina, la vibración, los parámetros de la turbina y la transmisión, y otros parámetros como el número total de rotaciones en el eje vertical del generador (control de guiñada).

Algunos sistemas limitan el número de rotaciones totales que realiza la turbina de guiñada en una dirección antes de invertir las direcciones. Los datos de estos sensores generalmente se almacenan para que los operadores los revisen si es necesario.

La figura 5 muestra todas las partes de la turbina eólica de eje horizontal (HAWT).

Turbina eólica de eje horizontal convencional (HAWT)

Figura 5 Turbina eólica de eje horizontal convencional (HAWT)

Número de cuchillas

Los aerogeneradores de eje horizontal se pueden diseñar con una, dos, tres o más palas. Cuantas menos palas tenga una turbina eólica, más rápido tendrán que girar las palas para extraer la misma cantidad de energía que una turbina eólica con más palas.

Por ejemploa de tres hojas una turbina eólica no necesita girar tan rápido como una turbina eólica de dos palas para extraer la misma cantidad de energía. Por lo tanto, las relaciones de velocidad máxima de una turbina eólica de dos palas y una turbina eólica de tres palas son diferentes.

Las unidades residenciales más pequeñas están diseñadas para la rentabilidad y el tamaño de la carga eléctrica del hogar.

Las turbinas utilizadas para generar energía eléctrica comercial pueden ser de dos, tres o cinco palas, todas diseñadas para cargas de energía mucho mayores.

La gran mayoría de las turbinas eólicas de eje horizontal utilizadas en la generación de energía comercial para empresas de servicios públicos son turbinas de tres palas.

  • Turbinas de un solo álabe

Las turbinas eólicas de una sola pala se utilizan en algunas aplicaciones limitadas, pero las turbinas eólicas de eje horizontal son las menos utilizadas.

Para que giren sin problemas, las turbinas de un solo álabe deben tener uno o dos contrapesos. La figura 6 muestra un aerogenerador monopala con dos contrapesos.

el es aprovecha este tipo de aerogenerador el costo más bajo debido al uso de una sola pala de turbina (y bajo peso de elevación), pero las turbinas de una sola pala deben operar a velocidades mucho más altas para convertir la misma cantidad de energía eólica que las turbinas de dos o tres palas con el mismo tamaño de palas.

Porque la turbina de un solo álabe tiene que girar a velocidades más altasse genera más desgaste y fatiga en la pala y los cojinetes en el mecanismo de montaje, lo que significa mayores costos de mantenimiento durante la vida útil de la turbina.

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Las turbinas de un solo álabe también requieren extensos procedimientos de configuración para garantizar que el álabe esté montado y equilibrado para limitar la oscilación y la vibración. Debido a estos problemas, hoy en día se utilizan muy pocas turbinas de un solo álabe.

Aerogenerador de eje horizontal de pala única

Figura 6 Aerogenerador monopala de eje horizontal con dos contrapesos.

  • Aerogeneradores de dos palas

En comparación con los aerogeneradores de tres palas, los aerogeneradores de dos palas tener la ventaja para ahorrar el costo y el peso de la tercera pala del rotor, pero son existe la desventaja requerir una mayor velocidad de rotación para producir la misma salida de energía. Esto tiene la desventaja del ruido y el desgaste de cojinetes, ejes y cajas de engranajes críticos.

Las turbinas de dos álabes tienen grandes fallas por fatiga del álabe y otras partes mecánicas, por lo que tienen una aplicación limitada. La figura 7 muestra un aerogenerador de dos palas.

Un típico aerogenerador de dos palas

Imagen 7 Un típico aerogenerador de dos palas

Otra forma de mejorar la eficiencia de la turbina de dos palas es hacer que ambas palas sean más gruesas y anchas que las palas de las turbinas tradicionales para que las dos palas puedan convertir más energía eólica.

Las hojas más gruesas también significan que las hojas son más fuertes y pueden soportar mejor los problemas de fatiga. Los nuevos materiales compuestos permiten aumentar el tamaño sin agregar un peso significativo a cada hoja.

Estos materiales también permiten que la hoja se produzca a un costo menor. Sin embargo, incluso con estas palas más eficientes, la turbina de dos palas sigue siendo un poco menos eficiente que la turbina de tres palas.

Ventaja con una turbina de dos palas es más rápida y segura de instalar que la versión de tres palas.

La turbina de dos palas se puede levantar a su posición después de que las palas de la turbina estén instaladas mientras aún están en el suelo, ya que las palas se pueden montar en posición horizontal y se pueden levantar fácilmente como una unidad.

Una turbina eólica de tres palas siempre tiene una pala apuntando hacia abajo si se construye como una unidad, lo que hace que las turbinas eólicas más grandes sean más difíciles de construir como una unidad para el ensamblaje.

  • Aerogeneradores de tres palas

La mayoría de las turbinas eólicas utilizan grandes ejes horizontales con tres palas, y la posición del rotor se mantiene al viento mediante el control de guiñada. La figura 8 muestra un aerogenerador de tres palas.

Las tres palas proporcionan la máxima conversión de energía al tiempo que limitan el ruido y la vibración. Las tres palas proporcionan más área de pala para convertir la energía eólica en energía eléctrica que una turbina eólica de dos o una pala.

Las palas de los aerogeneradores de eje horizontal más grandes son tan grandes que deben transportarse individualmente en camión y remolque. Esto también significa que se necesitan uno o más árboles muy grandes para acomodar la torre y la turbina.

La torre destinada a sostener la turbina de tres palas más grande también debe ser más alta y reforzada para soportar el peso y el aumento de la energía eólica extraída para soportar su máxima potencia.

Las palas de los grandes aerogeneradores se suelen fabricar instalando tres palas una tras otra después de instalar la góndola en la torre.

En turbinas de tres palas más pequeñas, las palas se pueden montar en el rotor mientras el rotor está en el suelo. Luego, el conjunto del rotor se retira con una grúa y se asegura al eje después de montar la góndola en la torre.

aerogenerador de tres palas

Figura 8 aerogenerador de tres palas

  • Aerogeneradores de cinco palas

Algunas turbinas eólicas tienen cinco palas para generar energía eléctrica de manera eficiente a partir de vientos de baja velocidad. La figura 9 muestra un aerogenerador de cinco palas.

Un aerogenerador de cinco palas suele tener palas más estrechas y finas, lo que crea problemas de resistencia. Aunque son excelentes con vientos de baja velocidad, se vuelven ineficaces con vientos de alta velocidad y son más ruidosos.

La torre y la base están situadas en la cubierta del edificio, que es un edificio de hormigón armado. Este tipo de aerogenerador de cinco palas requiere una base y una torre muy fuertes para sostener el aerogenerador en el viento.

Tenga en cuenta el grosor de la torre y el capó alrededor de las aspas, lo que ayuda a dirigir el viento directamente hacia las aspas.

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Un aerogenerador de cinco palas

Figura 9 Un aerogenerador de cinco palas

Comparación de tipos de palas de aerogeneradores

Las palas de las turbinas eólicas se pueden comparar de muchas maneras, como el tamaño, el peso, el material y la forma en que se fabrican.

Las palas de las turbinas eólicas se pueden fabricar con una variedad de materiales, desde madera para palas más pequeñas hasta aluminio y otros metales para palas pequeñas y medianas.

Las palas de las turbinas deben ser lo suficientemente rígidas para evitar que los vientos fuertes arrojen las puntas de las palas hacia la torre, pero lo suficientemente rígidas para convertir de manera eficiente la energía eólica en electricidad.

La mayoría de las palas de las turbinas eólicas comerciales están hechas de materiales compuestos (un compuesto de carbono, plástico y fibra de vidrio), lo que las hace más livianas pero lo suficientemente fuertes para soportar vientos fuertes. El núcleo se puede rellenar con espuma plástica u otra sustancia ligera para agregar rigidez.

Una pala típica de fibra de vidrio para una turbina eólica de 100 kW tiene 9 m (30 pies) de largo; una pala típica para una turbina eólica de 2 megavatios tiene 45 m de largo.

¡Blade Dynamics es un desarrollador de turbinas eólicas del Reino Unido que está desarrollando una pala que tendrá entre 80 y 100 m de largo! La hoja estará hecha de fibra de carbono y ensamblada a partir de piezas más pequeñas. Se utilizará para turbinas en el rango de 8-10 MW en el futuro.

La Tabla 1 resume las ventajas y desventajas de los aerogeneradores de una, dos y tres palas.

Un tipo de aerogeneradorVentajasDesventajas
Turbina de tres palas1. La más silenciosa de los tres tipos de turbinas

2. Menos vibración

3. El control de paso de pala disponible permite que la pala capture el viento máximo

4. El menor costo de energía en comparación con otras turbinas con palas del mismo tamaño

1. Más pesado que una turbina de una o dos palas

2. El más intensivo en capital de los tres tipos

3. Se requiere un control de guiñada activo para que las palas se dirijan al viento

4. Las grúas más grandes requieren construcción

5. Requiere la torre mas alta y mas pesada

6. Las palas más grandes son más difíciles de transportar al sitio de la torre

Turbina de dos palas1. Costo inicial y peso más bajo y más fácil de ensamblar

2. Produce más energía que una turbina de un solo álabe

1. Más alto que una turbina de 3 álabes

2. Produce menos energía que una turbina de tres aspas (cuando el tamaño y la velocidad de las aspas son iguales)

Bordeadora de una hoja1. vacaciones

2. Es fácil de instalar debido a su brillo y al hecho de que la hoja se puede instalar mientras está en el suelo.

3. Requiere la torre más pequeña y liviana

1. Más alto que una turbina de 3 álabes

2. Debe trabajar a la velocidad más alta para producir la misma cantidad de energía eléctrica

3. Más propensos a la vibración de la cuchilla

tabla 1 Ventajas y desventajas de los aerogeneradores de una, dos y tres palas

Preguntas de revisión

  1. ¿Cuáles son las partes principales de un aerogenerador de eje horizontal?
  2. Si un rotor de una sola pala y un rotor de dos palas del mismo diámetro producen la misma potencia a una velocidad del viento dada, ¿diferirá el nivel de ruido? Explique.
  3. ¿Cuál cree que es la razón principal por la que los rotores de tres palas se utilizan más que otros tipos?
  4. ¿Por qué un aerogenerador monopala necesita uno o más contrapesos?
  5. Identifique tres formas en las que una turbina eólica puede suministrar voltaje a la frecuencia correcta a la red.

respuestas

  1. Las palas de la torre, el rotor y el rotor, el eje de baja velocidad, la caja de cambios, el eje de alta velocidad, el generador y el controlador; también puede haber convertidores de frecuencia electrónicos
  2. Sí. Debido a que ambos producen la misma potencia, el rotor de una sola pala gira el doble de rápido que el rotor de dos palas y, por lo tanto, es más ruidoso.
  3. Las turbinas de tres palas producen más energía por su inversión que otros tipos.
  4. Para evitar vibraciones
  5. Hay tres formas (1) de controlar la velocidad de la turbina mediante el control de cabeceo y guiñada, (2) para permitir que la turbina funcione libremente y controlar la frecuencia de salida con un sistema convertidor electrónico, y (3) para usar del tipo inductivo alimentación de generador dual. un sistema en el que el campo de corriente alterna está estrictamente controlado.
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