Diseño de un aerogenerador marítimo de 5 MW

Abstract

Este trabajo, centrado en el diseño de los elementos de transmisión, forma parte de un proyecto global que se ocupa del desarrollo completo de un aerogenerador marino de 5 MW. El actual proyecto, comienza introduciendo la importancia de las energías renovables como sustitutas de los combustibles fósiles, y más en concreto del desarrollo y la evolución de la energía eólica, focalizándose especialmente en las previsiones de crecimiento de la eólica marina y su amplio potencial. Posteriormente, hace un repaso resumido acerca de los diferentes tipos de aerogeneradores, así como de su clasificación en función de varias características que guardan relación con el sistema de transmisión, como pueden ser la orientación con respecto al viento o el número de palas. Se define también el aerogenerador que ocupa el proyecto, siendo este un aerogenerador marino de 5 MW de potencia, tripala, dispuesto a barlovento y de transmisión directa con generador síncrono de imanes permanentes. Una vez definidas las características del aerogenerador, el proyecto se centra en la creación del modelo de aerogenerador en el software BLADED. Para la elaboración de este modelo, el programa requiere de una serie de parámetros. En este trabajo, centrado en la transmisión, se explican y se detallan todos los cálculos necesarios que solicita el programa de todos los elementos relacionados con la transmisión. Una vez se ha creado un modelo de simulación en BLADED, se utiliza el programa para calcular las diferentes cargas que tendrán que soportar los elementos de la transmisión. Siguiendo las pautas que indica la normativa recogida en ‘Guideline for the Certification of Offshore Wind Turbines’, se estudian mediante BLADED las cargas para cada uno de los diferentes casos de operación, y se elabora una tabla con los casos más críticos. En base a estos casos, se diseña y se dimensiona el eje de transmisión del aerogenerador, y se seleccionan unos cojinetes óptimos para las condiciones de funcionamiento. Tras haber diseñado el eje de transmisión en base a las cargas extremas, se realiza un análisis de fatiga, para asegurar que el aerogenerador podrá operar correctamente durante toda su vida útil sin que tenga lugar un fallo por fatiga en la transmisión y por tanto poder garantizar que el diseño propuesto es adecuado.

The current project, focused on the drive train, is part of a global project, which consists on the full design of a 5 MW offshore wind turbine. This project, starts introducing the importance of the renewable energies as substitutes for the traditional fossil fuels, focussing on wind power and its current development, and paying special attention to offshore wind power and its wide future potential. More over, a small review of the different types of wind turbines is made, as well as a classification, regarding their drive train related characteristics, such as the number of blades or their orientation with respect to the wind direction. The wind turbine on which this project is focussed is here by defined as a three blade, windward oriented, with direct drive and a synchronous permanent magnet generator of 5 MW of power. Once the wind turbine characteristics have been defined, the project concentrates on the creation of a simulation model in the software BLADED. To elaborate this model, the program requires a series of parameters. As this project focusses on the drive train, all calculations needed to define all drive train elements are explained in detail. Once the simulation model is created in BLADED, the software is used to determine the different loads that the drive train will have to endure. Following the indications stated in ‘Guideline for the Certification of Offshore Wind Turbines’, the loads for every operation case are determined, and the critical loads are summarised in a table. Based on these loads, the drive shaft is designed, as well as the bearings, so they are able to withstand the operation correctly. After the shaft is designed so that it can endure the extreme loads to which it will be subjected, a fatigue analysis is made to ensure that the wind turbine will be able to operate correctly during its whole lifetime without the occurrence of fatigue failure, and, therefore assuring that the proposed design is adequate.