Sistema de control de paso en aerogeneradores en áreas marinas

Abstract

Este Trabajo Fin de Máster se centra en el diseño y evaluación del sistema de control de paso (pitch control) en aerogeneradores marinos de 5,5 MW. Tras una introducción al contexto de la energía eólica offshore y a la evolución tecnológica de los aerogeneradores, se presenta el estado del arte de sus componentes, prestando especial atención a la góndola, el rotor y el buje, elementos clave para el sistema de pitch. El núcleo del trabajo consiste en el modelado de un aerogenerador de 5,5 MW en el software Bladed. Se implementa un algoritmo PI para el control de paso y se evalúan situaciones críticas (DLC 1.1, 1.3 y 6.1) conforme a normas IEC y GL. Se desarrolla el diseño mecánico del sistema de pitch, especialmente del engranaje piñón-corona, seleccionando un motor Bonfiglioli BMD 132L con reductora 709 T3W. El diseño se valida mediante un análisis por elementos finitos en Abaqus, confirmando tensiones admisibles y desplazamientos mínimos. Finalmente, se simulan paradas de emergencia con vientos de 10,6 y 30 m/s, verificando el correcto funcionamiento del sistema. A nivel económico, se estima un LCOE de 85 €/MWh frente a un precio medio de mercado de 100,2 €/MWh, lo que refleja una rentabilidad del 15 % por MWh producido.

This Master's Thesis focuses on the design and evaluation of the pitch control system in 5.5 MW offshore wind turbines. Following an introduction to the context of offshore wind energy and the technological evolution of wind turbines, the state of the art of their components is presented, with special attention to the nacelle, rotor, and hub, key elements of the pitch system. The core of the project involves modeling a 5.5 MW offshore wind turbine using the Bladed software. A PI algorithm is implemented for pitch control, and critical load cases (DLC 1.1, 1.3, and 6.1) are evaluated in accordance with IEC and GL standards. The mechanical design of the pitch system is developed, focusing particularly on the pinion-ring gear. A Bonfiglioli BMD 132L synchronous motor combined with a 709 T3W industrial gearbox is selected. The design is validated through a finite element analysis in Abaqus, confirming admissible stress levels and minimal displacements. Finally, emergency shutdowns are simulated under wind speeds of 10.6 and 30 m/s, verifying the correct operation of the system. From an economic perspective, the Levelized Cost of Energy (LCOE) is estimated at €85/MWh, compared to an average market price of €100.2/MWh, reflecting a 15% profit margin per MWh produced.