4 presentacion 3 mayo 2010

7/31/2019 4 Presentacion 3 Mayo 2010

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CAPACITACIN PARA LOS ESTADOS MIEMBROS DE LA

CURSO CAPEV 7 2010

CURSO DE CAPACITACIN VIRTUAL:

TENDENCIAS TECNOLGICAS Y APLICACIONES DELA ENERGA ELICA PARA LA GENERACIN

ELCTRICADr. Oscar Alfredo Jaramillo Salgado

Centro de Investigacin en Energa. Universidad Nacional Autnoma de Mxico

[email protected] 3 de Mayo 2010
mailto:[email protected]:[email protected]


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Diseo de Aerogeneradores

y

Sistemas de Control


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Diseo de aerogeneradores: consideraciones bsicas de carga

Cuando se disean y construyen aerogeneradores, se debe tener en cuenta la

resistencia, el comportamiento esttico y dinmico de los componentes y las

propiedades de fatiga de los materiales empleados y de cmo actan estos en todoel conjunto.

Los aerogeneradores modernos no se construyen con muchas palas o con palas

muy anchas, esto es, las turbinas elicas no presentan un rotor muy slido, ya que

ste estar sometido a fuerzas muy grandes, cuando el viento sopla a una

velocidad muy alta se pueden presentar fallas mecnicas y estructurales.

Los fabricantes de aerogeneradores deben certificar sus turbinas, garantizando que

una vez cada 50 aos pueden soportar vientos extremos de unos 10 minutos de

duracin.

Por lo tanto, para limitar la influencia de los vientos extremos, los fabricantes deturbinas optan por construir turbinas con pocas palas, largas y delgadas. Se utilizan

perfiles aerodinmicos que permiten un torque adecuado a velocidades

relativamente altas de 20 rpm hacer funcionar la caja de engranes y el generador.


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Cargas de fatiga (fuerzas)Las aerogeneradores estn sujetos a vientos fluctuantes y, por tanto, a fuerzas

fluctuantes. Esto se da particularmente en el caso de estar emplazados en un clima

elico muy turbulento.

Los componentes sujetos a una flexin repetida pueden desarrollar grietas, que en

ltima instancia pueden provocar la rotura del componente. Un ejemplo de esto es

la enorme mquina alemana Growian (100 m de dimetro de rotor), que tuvo que

ponerse fuera de servicio en menos de 3 semanas de funcionamiento. La fatiga del

metal es un problema bien conocido en muchas industrias. As pues, generalmente

el metal no se elige como material para las palas del rotor.

En el diseo de una turbina elica, es muy importante calcular por anticipado

como vibrarn los diferentes componentes, tanto individualmente como en

conjunto. Tambin es importante calcular las fuerzas que participan en cada flexin

y estiramiento de un componente. De esto se ocupa la dinmica estructural, donde

los fsicos han desarrollado modelos matemticos de ordenador que analizan el

comportamiento de toda la turbina elica. Estos modelos son utilizados por los

fabricantes de turbinas para disear sus mquinas de forma segura.


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Normas Nacionales e Internacionales

La preparacin de normas nacionales e internacionales, que contiene normas para

el diseo de aerogeneradores comenz en la dcada de 1980. La primerapublicacin fue un conjunto de normas para la certificacin elaborado por

Germanischer Lloyd en 1986. Estas reglas iniciales fueron posteriormente

mejoradas como el conocimiento adquirido, conduciendo a la publicacin de

Regulation for the Certification of Wind Energy Conversion Systems por

Germanischer Lloyd en 1993. Esto adems fue modificado por suplementos

expedidos en 1994 y 1998. Mientras tanto, tambin normas nacionales fueronpublicadas en The Netherlands (NEN 6096, Dutch Standard, 1988) y Dimnamarca

(DS 472, Danish Standard, 1992).

The International Electrotechnical Commission (IEC) comenz a trabajar en el

primer estndar internacional en 1988, drigido a la publicacin de IEC 1400-1

Wind turbine generator systems

Part 1 Safety Requirements en 1994 (Second

Edition IEC, 1997). Apareci una edicin revisada, que contiene algunos cambios

significativos en 1999, teniendo el nuevo nmero de IEC 61400-1.


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IEC 61400-1

La norma IEC 61400-1 Wind turbine generator systems Part 1 Safety

Requirements identifica cuatro clases diferentes de turbinas de viento para

adaptarlas a diferentes condiciones de viento del sitio, con el aumento de nmerode designacin de clase correspondiente a la reduccin de la velocidad del viento.

Los parmetros de la velocidad de viento para cada clase se dan en la tabla 5.1.

Un parmetro fundamental para el diseo de la turbina de viento es la intensidadde la turbulencia, que se define como la relacin entre la desviacin estndar de

las fluctuaciones de velocidad media del viento.


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Reglas para certificacin Germanischer LloydGermanischer Lloyds Regulation para la certificacin de sistemas de conversin de

energa de viento, comnmente referidas como reglas GL, adopta la misma

clasificacin de turbinas de viento que la IEC 61400-1, pero especifica un valor

nico a la altura del buje de la intensidad de la turbulencia del 20 por ciento. Unmayor nmero de casos de carga se especifican, pero muchos de ellos estn en

paralelo con la IEC 61400-1. Las normas de GL tambin proporcionan un espectro

simplificado de fatiga para la carga aerodinmica y cargas de diseo de turbinas de

de tres palas sin control de ngulo de paso.


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Danish Standard DS 472

DS 472 basa el diseo extremo de velocidades de viento en ncuatro clases de

terreno, que van desde la muy suave (extensiones de agua) a la muy accidentado

(por ejemplo, las zonas edificadas). La velocidad del viento base se considera la

misma para toda Dinamarca, por lo tanto, el resultado es cuatro perfiles

alternativos de variacin de la velocidad de viento con altura. La filosofa detrs de

la seleccin de casos de carga de diseo en el estndar dans es similar a la IEC-

1400 y a GL rules, Aunque el nmero de casos de carga es menor.

Del mismo modo, los requisitos para los sistemas de control y de seguridad son una

vez ms claramente establecidos. DS 472 se distingue en que incluye un

tratamiento detallado para la obtencin de espectros de carga de fatiga

simplificado para turbinas de tres palas con regulacin por desprendimiento deflujo (stall-regulated ) y un mtodo para calcular os factores de respuesta las

rfagas de viento de las palas y la torre.


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Cargas y tensiones estructurales

Los aerogeneradores estn sometidos a cargas y tensiones muy especficas. Debido

a la naturaleza del viento, las cargas son muy variables. Cargas variables son ms

difciles de manejar que cargas estticas debido a que el material presenta

fatigada.

El diseo estructural de una turbina de viento deber considerarse en tres aspectos

diferentes:

En primer lugar, debe prestarse atencin a garantizar que los componentes estn

diseados para las cargas extremas encontradas. Esto significa que la turbina y sus

componentes esenciales deben ser capaces de soportar las velocidades de viento

ms altas que pueden ocurrir.

El segundo requisito es que se debe garantizar la vida de fatiga de los componentes

para su vida til, como regla, de 20 a 30 aos. Mientras las tensiones con respecto

a la carga extrema pueden ser estimadas relativamente fcil, el problema de la

"vida de fatiga" es virtualmente la cuestin clave en turbinas de viento.

El tercer requisito refiere a rigidez de componente con respecto a las vibraciones y

deflexiones crticas. El comportamiento vibracional de una turbina de viento puede

mantenerse bajo control slo cuando los parmetros de la rigidez de todos sus

componentes cuidadosamente coinciden. Aparte de una resistencia adecuada, un

criterio ms es la rigidez necesaria.


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Los mtodos matemticos necesarios para calcular cargas estructurales y

comportamiento de material se incluyen como algunas de las ms complejas

herramientas tericas necesarias para el desarrollo de turbinas elicas. Los

modelos bsicamente no son diferentes de los utilizados en otros campos de la

tecnologa. No obstante, el curso de accin a adoptarse en relacin con el diseo

estructural de una turbina de viento se rige por su propio conjunto de problemas.

El punto de partida para el espectro de toda carga de una turbina de viento son lascargas actuando sobre el rotor. Las cargas sobre las palas del rotor se pasan a los

otros componentes y en gran medida, determinar su carga. En comparacin con

estas cargas, las cargas procedentes directamente de componentes aguas abajo

son menos significativas. La discusin de las cargas que actan en una turbina de

viento pueden, por lo tanto, referirse al rotor y verse como representativas de

todas las partes


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Cargas en el aerogeneradorLas causas de todas las fuerzas que actan sobre el rotor son atribuibles a los

efectos de las fuerzas aerodinmicas, gravitacionales e inerciales. Las diferentes

cargas y las tensiones pueden ser clasificadas de acuerdo con sus efectos en el

tiempo en el rotor (figura 6.1):

Cargas aerodinmicas constantes con una velocidad de viento y fuerzas

centrfugas uniformes, son cargas independientes del tiempo y en estado de

equilibrio, siempre y cuando el rotor est funcionando a una velocidad constante.

Un flujo de aire que es constante, pero espacialmente no uniforme sobre el rea

de barrido del rotor causas cambios cclicos de carga sobre el rotor de rotacin.Esto incluye, en particular, el flujo irregular hacia el rotor debido al aumento en la

velocidad del viento con la altura, un flujo cruzado hacia el rotor y la interferencia

debido al flujo alrededor de la torre y sombreado de la torre.

Las fuerzas de inercia debido al peso muerto de las palas del rotor tambin

causan cargas que son peridicas e inestables. Por otra parte, las fuerzas

giroscpica producidas cuando el rotor se est orientado tambin deben ser

incluidas.

Adems del estado de equilibrio y del cambio cclico de las cargas, el rotor est

sometido a cargas no peridicas, estocsticas, causados por la turbulencia de

viento.


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En una investigacin de tensiones

estructurales, es importante

considerar los efectos de las

variaciones de la carga con el tiempo.

Las cargas fluctuantes y alternas

deben ser dterminadas,especialmente con respecto a la vida

de fatiga de la estructura.


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Para representar las cargas

sobre el rotor y las tensiones

estructurales, se utiliza un

sistema coordenado como semuestra en la figura 6.2. Las

fuerzas y momentos que

actan sobre las palas del

rotor se resuelven en un

sistema coordenado rotativo

con respecto a la seccintransversal de la pala. En la

direccin de la cuerda de

perfil aerodinmico, se

obtiene el componente

"chordwise y

perpendicularmente a la

cuerda del perfil se tiene la

componente "flapwise.


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Fuentes de Carga

Las fuentes de carga que deben tenerse en cuenta son: cargas inerciales,

gravitacionales y aerodinmicos. Tambin hay cargas derivadas de acciones

operativas y de diferentes estados de funcionamiento de la turbina elica. En el

peor de los casos, muchas de estas fuentes producen cargas simultneamente

resultando en efectos acumulativos.

El complejo espectro de la carga en l del rotor y en la turbina elica completa se

convierte en comprensible slo cuando la carga total se piensa como componentes

cuyos orgenes son independientes uno de otro. Esto se aplica tanto a las cargas

debido a las fuerzas aerodinmicas y las resultantes de las fuerzas gravitacionales y

inerciales. En cuanto a la carga aerodinmica, la situacin de carga se determina

por las diferentes condiciones de flujo actuando sobre el rotor.


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Flujo de aire uniforme y estado permente.Suponer un flujo de viento de uniforme y en estado permanente, es por supuesto,

una idealizacin que no existe en la atmsfera abierta. A efectos prcticos, este

concepto no obstante, es til para calcular el nivel de carga media que se produce

en un perodo relativamente largo de tiempo.

Si se supone un flujo constante y simtrico que penetra en la zona de barrido del

rotor, las palas del rotor de eje horizontal se someten a las fuerzas aerodinmicas

de estado estacionario.

Los momentos de flexin de las palas del rotor en la direccin chordwise son elresultado de la distribucin de fuerza tangencial, Considerando que la distribucin

de empuje es responsable para el momento de flexin de la pala en la direccin

flapwise. Debido a la torcedura de la pala del rotor, en particular, el perfil de

distribucin cambia claramente con la velocidad del viento. La torcin se ha

optimizado para una velocidad de viento nominal slo para que la distribucin de

cargas aerodinmicas corresponde aproximadamente a el ptimo terico slo paraesta velocidad de viento. En otras velocidades de viento, especialmente superiores,

el flujo se separa en las secciones de la pala cerca del buje del rotor. Esto hace que

la distribucin de las cargas aerodinmicas cambie considerablemente. Los

diagramas 6.3 y 6.4 ofrecen una impresin de la distribucin de carga

aerodinmica en las palas del rotor.


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La Integracin de las distribuciones de carga a lo largo de la pala conduce a estimar

el total de las cargas del rotor y momrntos. La carga tangencial proporciona el par

de rotor, y la distribucin de la carga de empuje proporciona el empuje total de

rotor (fig. 6.5).


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El examen usual de las cargas sobre las palas del rotor slo se refiere a la

distribucin de cargas en la direccin a lo largo de la pala. Esta imagen

bidimensional de carga enmascaras la realidad de un mountain range de cargasque tambin se extiende en la direccin de la cuerda de la pala. Informacin sobre

la distribucin de la carga sobre la cuerda de la pala suele ser de menor

importancia, pero es, sin embargo, necesario para tratar algunos problemas

relativos a la rigidez torsional de la pala. Adems, esta distribucin de carga debe

tenerse en cuenta al dimensionar la piel y las costillas de la pala.

Por lo general se deriva la distribucin de carga chord-wise de mediciones de la

distribucin de la presin, llevado a cabo en los modelos de perfiles

aerodinmicos en el tnel de viento. Existen catlogos que contienen informacin

sobre estas distribuciones de presin. Son caractersticos de cada perfil y varan de

acuerdo con el ngulo de ataque aerodinmico (Fig. 6.6). Por otra parte, la forma

de la elevacin aerodinmica y las caractersticas de arrastre, se ven afectados porel nmero de Reynolds. Por lo tanto, el calculo de distribucin de carga debe

hacerse con cierto cuidado.


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Viento vertical cortante y vientos cruzados

El flujo de viento produce inestabilidad por cargas variables en funcin de la

revolucin del rotor en cuanto el viento golpea las palas de manera asimtrica.

Una asimetra inevitable es causada por el aumento en la velocidad del viento con

la altura. Durante cada revolucin, las palas del rotor son sometidas a mayores

velocidades de viento en el sector superior de rotacin y, por tanto, estn sujetosa cargas ms altas que en el sector ms cerca de la tierra. Una asimetra similar del

flujo en el rotor es causada por los inevitables vientos cruzados que se producen

con cambios rpidos en la direccin del viento.


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La fuerza de corte vertical y los vientos cruzados sobre el rotor conducen a un ciclo

de aumento y disminucin de la distribucin de la carga aerodinmica sobre las

palas del rotor. En comparacin con una carga con un viento constante y simtrico,

existen considerables variaciones en la carga (Fig. 6.7).


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Interferencia de la torre

La influencia del flujo aerodinmico alrededor de la torre sobre el rotor es mnimo

cuando el rotor est montado en el tradicional posicin barlovento. El rotor a

barlovento es afectado simplemente por un retardo del flujo en frente de la torre .


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Caracterstica tpica de la estela detrs de un cuerpo con una seccin circular son

los vrtices alternos en ambos lados, que se producen con una frecuencia definida(

(vortices Krmn). Dependiendo del nmero de Reynolds del flujo, que se refiere al

dimetro del cilindro, se pueden observar tres regiones caractersticas se pueden

observar tres regiones caractersticas (Figs. 6.9 and 6.10).


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El momento flector por la fuerza flapwise es un parmetro importante para el

dimensionamiento de la pala. La influencia de la sombra de la torre es

considerable, sobre todo teniendo en cuenta el elevado nmero de ciclos de carga

durante la vida de la turbina (Fig. 6.11).


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La salida de energa elctrica de rotores a barlovento es un claro indicador de la

influencia de la interferencia de la sombra de torre. En casos extremos, se midieron

prdidas de energa de hasta 40% por debajo de la potencia media de la salida(Fig.

6.12).


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Turbulencia de viento y rfagas

La turbulencia del viento (siempre presente) contribuye considerablemente a la

fatiga del material, especialmente de las palas del rotor. Velocidades de viento

extrema, aunque mucho ms raras, debe tambin tenerse en cuenta al disear laresistencia a la fatiga. Adems, pueden aumentar la carga hasta el punto de

fractura. Los problemas ms graves en cuanto se refiere a la carga se presentan por

las fluctuaciones estocsticas del viento.

Ya que el modelo espectral de la turbulencia es de carcter estadstico, se puede

utilizar un enfoque determinista. La idea bsica es definir formas de rfagasdiscretas idealizadas, representado por el aumento y disminucin de la velocidad

del viento en el tiempo. Estas rfagas, a continuacin, se supone que hechos

aislados discretos para el clculo de cargas. Es evidente que en el proceso, la

naturaleza continua de la turbulencia se pierde. La respuesta de la estructura

muestra slo la reaccin a una rfaga aislada, sin tomar en consideracin la

situacin antes de y inmediatamente despus del evento.


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Formas de rfagas idealizadas se han obtenido al calcular las cargas en

aerogeneradores(Fig. 6.13)


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L f i d i t bi d l i l l id d


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La frecuencia de ocurrencia tambin puede verse en relacin con la velocidad

media del viento y el factor de rfaga (fig. 6,15).

La figura 6 16 muestra el efecto de la turbulencia del viento sobre la influencia de la


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La figura 6.16 muestra el efecto de la turbulencia del viento sobre la influencia de la

carga dinmica especfica de una turbina elica. La flexin de las palas del rotor se

calcul inicialmente teniendo en cuenta slo la influencia de la perturbaciones

cclicas en el flujo causadas por la fuerza cortante, influencia de la torre y

parmetros similares, pero ingnorando la turbulencia. Incluyendo el espectro de la

turbulencia, los valores de deflexin, son casi el doble.


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Cargas por gravedad e inerciaMientras que la carga aerodinmica slo se puede calcular con dificultad, las

cargas causadas por el peso de muertos de los componentes y por la fuerza

centrfuga y giroscpica son relativamente simples de calcular. La nica dificultad

es que, al comienzo de la fase de diseo, no se conocen las masas de los

componentes. Como masa, slo se puede calcular como consecuencia de la gama

de carga completa, incluido el peso muerto, varios ciclos de iteracin" son

inevitables Cuando la estructura se dimensiona.

Carga por gravedadComo resultado de la gravedad la pala presenta una flexin como una variable

sinusoidal que alcanza un mximo cuando la hoja est horizontal, y que cambia

dependiendo del ngulo en la posicin de la revolucin en la que se encuentra.

Por lo tanto es una fuente importante de la carga de fatiga.


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Carga giroscpicaCuando un aerogenerador gira para posicionarse frente al viento (yaw sistem), las

palas experimentan cargas giroscpica perpendiculares al plano de rotacin.


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Cargas centrfugasPara una pala rgida la rotacin genera las fuerzas centrfugas que se imprimen a los

largo de la pala.


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Materiales.En el pasado el punto de partida para el diseo de las palas del rotor era el tipo


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En el pasado, el punto de partida para el diseo de las palas del rotor era el tipo

de material que resultara ms adecuado. Los diseo y mtodos de fabricacin se

determinan en gran medida por las propiedades del material utilizado. En otras

palabras, la seleccin de material, el principio del diseo conceptual y el mtodo

de produccin no puede considerarse independientemente una de otra en una

situacin real.

A juzgar por la experiencia adquirida en la ingeniera de aviones, los siguientes

materiales se consideran como aptos en principio:

aluminio,

titanio,

acero, madera

material de fibra compuesta (vidrio, fibras de carbono y resinas epxicas)

Las propiedades ms importantes del material para las cuales se puede realizar

una primera evaluacin son:

Peso especfico (g/cm3) El mdulo de elasticidad (kN/m2)

Resistencia a la ruptura en relacin con el peso especfico, la llamada longitud

de rotura (km)

El mdulo de elasticidad en relacin con el peso especfico, (103 km)

Resistencia a la fatiga permitido despus de 107 a 108 ciclos de carga (N/mm2).


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Diseos con remaches de aluminioD l i tili d l t i d i t i l d lt


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Duralumium, utilizado en la construccin de aviones, es un material de alta

resistencia con la que se puede lograr una ventaja de peso de aproximadamente

el 30% contra diseos de acero (figura 7.3)

AceroEl acero fue el material de las palas de rotor que ms fue utilizado en los diseos


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p q

de prueba de los aos ochenta (German Growian turbine, the American MOD-2

turbine and the Swedish WTS-75 turbine)


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glass fibre reinforced plastics

Construccin tradicional de maderaAunque la madera tiene una tradicin de siglos como un material en la


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Aunque la madera tiene una tradicin de siglos como un material en la

construccin de molinos de viento, su uso en la tecnologa de la energa elica

moderna fue considerada como un primer paso y hubo algunos intentos de hacer

las palas del rotor de madera. La madera resulta un excelente material por sus

propiedades mecnicas a la flexin y compresin, sin embargo su vida til no es

de muy longeba.

Diseos anteriores con compuestos de fibra reforzada


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Compuestos de madera y epxico


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L


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La torre.La alta torre es un componente esencial de la turbina de eje horizontal, un hecho

que puede ser tanto una ventaja y una desventaja. Los costes, que pueden

ascender hasta el 20% de los costes globales de turbina, son, por supuesto,

desventajosos. A medida que aumenta la altura de la torre, transporte, montaje yla ereccin de la torre y el mantenimiento de los componentes tambin es cada

vez ms difcil y costoso. Por otro lado, el rendimiento de energa especfica del

rotor tambin aumenta con la altura de la torre.

Tericamente, la altura de la torre ptima se encuentra en el punto de

interseccin de las funciones de crecimiento de costo de construccin y

rendimiento energtico. Por desgracia, este punto de interseccin no resulta por

ahora tcnicamente posible. En turbinas de mayor tamao, los costos de

construccin se elevan ms rpidamente con el aumento de la altura de la torre

que en pequeas turbinas. Un papel an ms importante es interpretado por la

eleccin del sitio. En el sitios interiores, e. i. en las regiones con un alto grado de

la rugosidad de la superficie, la velocidad del viento aumenta ms lentamente

con la altura que en sitios fuera de la costa.


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Control de supervisin o vigilancia


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Control de supervisin puede considerarse como el medio por el cual la turbina es

llevada de un estado de funcionamiento a otro. Los estados operacionales, porejemplo, podran ser:

En espera (Stand-by), cuando la turbina elica est disponible para su operacin

si las condiciones ambientales as lo permiten,

puesta en marcha,

produccin de energa,apagado y

detencin o fuera de operacin por fallas.

El controlador de supervisin debe comprobar que cada etapa se ha completado

exitosamente antes de pasar a la siguiente. Si cualquier etapa no se completa

dentro de un cierto tiempo, o si se detecta cualquier fallo, el controlador de debecambiar a modo apagado.

Es posible pensar en otros estados o puede ser til subdividir an ms a algunos


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Es posible pensar en otros estados, o puede ser til subdividir an ms a algunos

de estos estados. As como decidir cundo iniciar un conmutador de un estado a

otro, el control realizar la secuencia necesaria. Como ejemplo, el control de

secuencia para la puesta en marcha de una turbina de viento regulada por ngulo

de paso de velocidad fija puede constar de los siguientes pasos:

encender el actuador de ngulo de paso;

liberar el freno de eje;

colocar el ngulo de paso para un torque de arranque;

esperar hasta que la velocidad del rotor supera un determinado valor mnimo; establecer un control de lazo cerrado para el control del ngulo de paso,

incrmentar la velocida hasta la velocidad sncrona;

esperar hasta que la velocidad ha sido alacazada durante un tiempo

especificado;

cerrar los contactores de generador;

realizar el control de bucle cerrado para optimizar el ngulo de paso incrementar la demanda de energa hasta el nivel nominal.

El controlador de lazo cerrado es generalmente un sistema basado en software

que se ajusta automticamente el estado de funcionamiento de la turbina a fin de


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mantenerla la curva operativa predefinida o caracterstica de generacin de

potencia. Algunos ejemplos de control de lazo cerrado son:

control del ngulo de paso con el fin de regular la potencia de salida de la

turbina para el nivel nominal de velocidades de viento; control del ngulo de paso con el fin de seguir un incremento de velocidad

predeterminado durante la puesta en marcha o apagado de la turbina;

control de torque de generador con el fin de regular la velocidad de rotacin de

una turbina de velocidad variable;

control de motores de orientacin en el fin de minimizar el error de

seguimiento.

El sistema de seguridad por ejemplo, se podra activar por cualquiera de las

siguientes acciones:

Sobre-velocidad que puede provocar desvoque

Sobre-frecuencia de vibracin

Tiempo de respuesta sobre-excedido

Paro de emergencia realizado por el operador

Fallo particular o generalizado en el aerogeneraodr.


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