TURBINAS EÓLICAS PARA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA EN AREAS MARINAS

Abstract

RESUMEN DEL PROYECTO El proyecto tiene como principal objetivo el diseño y dimensionamiento del sistema de guiñada de un aerogenerador marino de 5Mw de potencia. Para realizar el modelo y las distintas simulaciones del aerogenerador se utilizó uso del programa Bladed 4.6., con licencia educativa. Todos los cálculos y simulaciones siguen la norma GL y la IEC.

1. Introducción En la actualidad, el suministro eléctrico es un bien indispensable para el hombre, tanto en la vida cotidiana como en la industria. Con el desarrollo de la sociedad, el crecimiento de la demanda de energía es exponencial. Esto unido a las consecuencias del cambio climático y al futuro agotamiento de los combustibles fósiles ha propiciado el crecimiento de fuentes de energía alternativas y renovables. Siendo la segunda fuente de energía limpia más popular en el mundo, la energía eólica se encuentra en constante evolución, para conseguir mejorar la eficiencia y la producción de energía renovable. Dentro de los aerogeneradores, uno de los sistemas esenciales para conseguir la mayor energía posible del viento, es el sistema de guiñada u orientación. Este sistema se encarga de orientar la góndola a la dirección del viento. Teniendo como principales objetivos la maximización de la energía producida y la reducción de los esfuerzos recibidos en el cojinete de guiñada.

2. Definición del Proyecto Este proyecto simula y compara diferentes estrategias de guiñada. Una vez elegida la más adecuada, se optimizó y dimensionó el sistema de orientación. El modelo de estudio es un aerogenerador marino de 5 Mw de potencia cuya transmisión es directa y cuyo generador es síncrono de imanes permanentes. El rango de viento para el cual la turbina puede operar está entre 3.5 y 30 m/s. La localización donde se prevé instalar la turbina es la costa africana.

3. Desarrollo Para la realización del modelo, se ha contado con el software Bladed 4.6. con licencia educativa. El cual se controla a través de la siguiente interfaz:

Ilustración 1: interfaz Bladed 4.6.- Fuente: elaboración propia

En primer lugar, se introducen todos los parámetros geométricos, físicos y eléctricos del modelo mediante los distintos menús. A continuación, se diseñan las distintas estrategias de orientación: - Rígida - Flexible de acumulador hidráulico - Flexible de resorte lineal Una vez diseñadas, se simulan cada una de ellas por separado atendiendo a la norma GL. La norma establece como deben ser las simulaciones realizadas para garantizar la fiabilidad de cada uno de los sistemas. Exigiendo para el sistema de guiñada simulaciones bajo turbulencia normal y simulaciones en cambios simultáneos de velocidad y dirección del viento. Cada una de las simulaciones se realiza bajo 3 velocidades de viento, la velocidad de acople (3,5 m/s), la velocidad nominal (11,686 m/s) y la velocidad máxima (30 m/s). De esta forma se obtiene una amplia visión del comportamiento del aparato.

4. Resultados Después de realizar los diferentes cálculos y simulaciones, la estrategia elegida cómo más adecuada es un sistema de guiñada de resorte lineal. Esta estrategia permite reducir los esfuerzos recibidos por el cojinete de guiñada y maximizar la energía producida por la turbina. Por otro lado, esta elección reduce el uso de aceites y lubricantes de tal forma que se reduce el riesgo de contaminación del medio marino cumpliendo con los Objetivos de Desarrollo Sostenible y la ley Española. 5. Conclusiones Como se ha visto a lo largo del Proyecto, el Sistema de orientación es una parte indispensable de un aerogenerador ya que sin este, el rendimiento del aparato seria muy escaso y las cargas sobre el Sistema muy elevadas. Cabe mencionar que la licencia educativa de Bladed 4.6. limita muchas opciones, reduciendo la exactitud y posibilidades de este proyecto.

PROJECT SUMMARY This project has its main goal at the desing and sizing of the yaw system for a wind turbine wich produces 5Mw of power. To make the model and all the simulations of the machine, Bladed 4.6. software was used, with an educational license. Every calculation and simulation was made under GL and IEC standards.

1. Introduction Nowadays, the power supply has become an indispensable commodity for society, not only for domestic use but also for industry. With the develop of society, the growth in the demand of electricity is exponential. This fact together with the consequences of global warming and the future exhaustion of petrol has caused the increase in clean an renewable energy technologies. Being the second in popularity around the world, wind energy is constantly evolving with the aim of having a better efficient and a bigger power production. Inside wind turbines, one of the most important systems to achive a greater energy production is the yaw system. This system has the objective of guiding the nacelle to the wind, when this two are misaligned. Having it’s main objective in maximizing energy production and reducing the loads applied to the yaw bearing.

2. Project definition This Project simulates and compares different yaw strategies. Once the correct one has been chosen, the yaw system has been sized and optimized. The model to be study is an off-shore wind turbine of 5 Mw of power with direct transmission and with a syncronus generator of permanent magnets. The range of winds of work for the turbine is between 3.5 y 30 m/s. The location where the turbine is planned to be installed is in the african coast.

3. Development To make the model, the program used was Bladed 4.6. with an educational license. This software is controlled through the next interface:

Ilustración 2: interface Bladed 4.6.

Firstly, all the geometric, physic and electrical parameters were introduced using the different menus. Next, new yaw strategies were desing: - Rigid - Flexible yaw accumulator - Flexible linear spring Once designed, each of the strategies was simulated under GL standards. This standard stablishes how each simulation must be done to ensure the reliability of every system in the turbine. Fort he yaw system, simulations under normal turbulence and under simultaneous wind speed an direction change are required. Each of the simulations will be conducted with three different wind speeds, coupling speed (3,5 m/s), nominal speed (11,686 m/s) and maximun velocity (30 m/s). This way a greater visión of the behavior of the machine is obtained.

4. Results After all calcularions and simulations were made, the chosen as adequate strategie is the linear spring yaw system. This strategie allows to reduce the loads at the yaw bearing and maximizes the power produced. Further more, this election reduces the use of oils and lubricants meaning that the risk of spilling is reduced, avoiding ocean pollution. This decisión meets Sustainable Development Goals defined by the UN and the spanish laws.

5. Conclusions As it has been seen through out the Project, the yaw system is an essential part of a wind turbine. With out it, the performance would be very low and the load son the yaw bearing very big. It is important to consider that the limitations on the educational version of the software Bladed 4.6. reduces the reliability and the options in this Project.