Proyecto De Ciencias

MEJORA DEL RENDIMIENTO DE UN GENERADOR

EÓLICO ASÍNCRONO CONECTADO A LA RED,

MEDIANTE CONVERTIDORES ELECTRÓNICOS Y

CONTROLADORES DE LÓGICA BORROSA.

INTRODUCCIÓN.

1. Motivación.

El progresivo agotamiento de los combustibles fósiles y su encarecimiento unido al cambioclimático que el planeta está experimentando en los últimos años ha motivado lainvestigación en fuentes de energías renovables fomentado en gran parte por los paísesdependientes del petróleo que ven impotentes como los países productores del petróleosiguen aumentando progresivamente el precio del barril alcanzando actualmente cotas que hasta hace unos pocos años eran impensables.

Entre las energías renovables se encuentran entre otras la energía eólica, la solar, la biomasay la geotérmica.

Algunos factores que explican el porqué de la importancia de la energía eólica son entre

otros:

− La fuente de energía primaria, el viento, es un recurso que existe en mayor o menor medida en cualquier lugar del planeta, destacando algunos países por su gran potencial eólico.

− La tecnología actual ha alcanzado un grado de madurez suficiente para permitir el aumento en la potencia eólica instalada.

− Otro factor importante lo constituyen las ayudas económicas que los gobiernos conceden a este tipo de energía.

2. Normativa.

La energía eólica ha experimentado una gran expansión, debido a varios motivos que hanimpulsado su desarrollo en España:

− La aprobación en mayo del RD 661/2007 por el que se regula la actividad de producción de energía eléctrica en régimen especial, es decir para todas las en ergíasrenovables y en caso particular de la energía eólica cuyo objetivo es la optimización de su penetración en el sistema eléctrico peninsular, además se iniciará en 2007 un estudio del potencial eólico evacuable a la red, cuyos resultados se tendrán en cuenta en la planificación futura de las infraestructuras eléctricas para el período 2007-2016.

− La Comunidad Europea propone como objetivo que en el año 2020 la producción y consumo proveniente de fuentes de energías renovables en Europa alcance un 20%. Las nuevas tendencias fomentan las energías renovables, con la idea de dar un fuerte impulso a su desarrollo mediante la creación de empleo y la investigación.

− Existen recursos eólicos importantes en ciertas Comunidades Autónomas de España (Galicia, Castilla y León, Castilla la Mancha, Navarra, Aragón, Andalucía, La Rioja,

Asturias, Cataluña y Canarias), a las que se les ha dado un fuerte impulso por parte de las Comunidades para fomentar este tipo de energía, que favorece la creación de 3 empleo y asegura un determinado grado de generación eléctrica renovable en sus zonas de influencia.

− La tecnología está evolucionando mucho en lo referente a la calidad de la potencia transferida a la red, y al abaratamiento de los costes por kW. instalado.

El ritmo de construcción de parques eólicos en España se está incrementando anualmente de forma importante. La potencia instalada a fecha 17 de enero de 2008 es de 15145 MW que supone casi un 10 % de la cobertura de la demanda nacional y la propuesta para el 2010 es de 20155 MW. España es el tercer país del mundo en producción de energía eólica después de Alemania y EEUU.

3. Estado del arte.

El espectacular desarrollo experimentado en el aprovechamiento de la energía eólica, ha situado esta fuente de energía renovable en posición de competitividad respecto a los sistemas convencionales de producción de energía. Este desarrollo, permite afirmar que la tecnología de aerogeneradores de pequeña y mediana potencia (potencias inferiores a 600 kW) es una tecnología madura [72]. Los avances realizados en el campo de la electrónica de potencia en los últimos años, permiten seguir avanzando en el desarrollo de la tecnología de los generadores eólicos.

El rendimiento de los aerogeneradores actuales ha aumentado de forma notable en los últimos años. La disminución de costes de instalación, operación y mantenimiento, unido al incremento de la eficiencia y disponibilidad de los aerogeneradores ha permitido una importante reducción en los costes de producción.

Sin embargo, se deben mejorar algunos aspectos importantes como son: ampliar la infraestructura eléctrica para evacuar la nueva potencia generada y mejorar la tecnología con el diseño de turbinas más eficientes sobre todo en el entorno de viento reducido; lograr una buena regulación de velocidad mediante el control del aerogenerador, incrementar la fiabilidad mecánica, etc. Son diversos los sistemas involucrados en el proceso de transformación de energía que se produce desde la incidencia del viento sobre el aerogenerador hasta su posterior conversión en energía eléctrica.

Existe una transformación aerodinámica que convierte la energía cinética del viento en energía mecánica en un eje, el cual acciona un generador eléctrico a través de una caja multiplicadora (mayoría de diseños). En el diseño y control de las palas existen muchos procedimientos para que, en definitiva, se pueda extraer la máxima energía del viento. El control del generador se realiza mediante un sistema electrónico de potencia.

Según la disposición del eje se dividen en generadores eólicos de eje horizontal y de eje vertical. Estos últimos son menos empleados que los de eje horizontal, si bien el generadorde eje vertical tipo Darrieus constituye uno de los modelos eólicos con más posibilidades en la actualidad. No obstante, en esta tesis se tratarán únicamente los aerogeneradores de eje horizontal.

Los elementos fundamentales (figura 1.1) que componen un aerogenerador de eje horizontal son principalmente: 4

 ƒ Palas. Capturan la energía del viento.

 ƒ Buje. Pieza cilíndrica donde se unen mecánicamente las palas con el eje o rotor del generador.

 ƒ Caja multiplicadora. Adapta la velocidad de giro de las palas a la velocidad de giro del generador eléctrico. Tiene un rendimiento elevado, pero su mantenimiento es complejo.

 ƒ Generador eléctrico. Transforma la energía mecánica en energía eléctrica.

 ƒ Góndola. Habitáculo donde se ubica principalmente el generador eléctrico y la caja multiplicadora.

 ƒ Torre. Sustentación de la góndola.

 ƒ Otros sistemas eléctricos. Transformadores, convertidores electrónicos de potencia, etc.

Componentes de un aerogenerador tipo.

Según el número de palas, existen en la actualidad aerogeneradores de una, dos o tres palas, el usar una o dos palas tiene el inconveniente de que tienen peor estabilidad pero se reduce el material utilizado frente al uso de tres palas que tiene la ventaja de reducir las oscilaciones b debido a la simetría polar que poseen, pero por el contrario, lleva mas material para la misma potencia generada.

En esta tesis se añade como novedad el aerogenerador de seis palas sobre el mismo eje, tres girando en un sentido y las otras tres girando en sentido contrario, que se verán con más detalle en el capítulo segundo.

 RODAMIENTO PALA

 CAMBIO DE PASO

 PALA

 BUJE

 TORRE

 MEDIDOR DE

 VUELTAS

 FRENO

 ORIENTACIÓN

 GENERADOR

 VELETA

 RODAMIENTO

 EJE PRINCIPAL

 MOTOR DE

 ORIENTACIÓN

 RODAMIENTO ORIENTACION

 MULTIPLICADOR

 ACOPLAMIENTO

 FRENO DE DISCO

 SISTEMA HIDRÁULICO

 ESTRUCTURA DE LA GÓNDOLA

 ACUMULADOR HIDRÁULICO

 BLOQUE MECÁNICO 5

La posición del rotor se divide en rotor a “barlovento” y rotor a “sotavento”. En el caso del rotor a barlovento se sitúan las palas y el buje aguas arriba de la torre, de esta forma se minimiza el efecto de la sombra de la torre y se producen menores cargas de fatiga y se disminuye la emisión de ruidos. En el caso del rotor a sotavento se sitúan las palas y el buje aguas abajo de la torre y se dota de conicidad a las palas, así se consigue que la góndola sea autoorientable. En función de su capacidad para variar la velocidad de giro se dividen en :

Generador eólico de velocidad constante. El generador eléctrico está conectado directamente a la red eléctrica. La palas y el generador eléctrico están acopladas mecánicamente mediante la caja multiplicadora, por lo que las palas giran a unavelocidad constante submúltiplo (o cerca de un submúltiplo) de la frecuencia de red aprovechando su gran inercia. Suelen emplearse generadores síncronos, aunque también se pueden usar generadores asíncronos. En el caso de estos últimos, la velocidad de giro variará ligeramente (en torno del 1%) en función del par

...