bernardino couñago lorenzo

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Proyecto Fin de Carrera 1746. Escuela Tcnica Superior de Ingenieros Navales (UPM):

Autores: Bernardino Couago Lorenzo; Ramn Barturen Antpara.

Tutores: Manuel Moreu Muniz; Miguel ngel Herreros Sierra

Presentado en la Escuela Tcnica Superior de Ingenieros Navales (UPM).Marzo de 2011.

Evaluacin: 9,5

GUIA RESUMEN

Cuaderno 0: Objetivos y descripcin general.

Muestra el enfoque del proyecto. Se comparan los tipos de estructuras offshore analizando las caractersticas ms relevantes de las mismas. Asimismo tambin se comentan las caractersticas del aerogenerador seleccionado y la normativa actual para la construccin de parques elicos offshore. Cuaderno 1. Condiciones metoceanicas.

En este cuaderno se hace una descripcin terica de las condiciones metocenicas del emplazamiento. Adems se define la corriente extremal, la ola extremal de los 50 aos, las velocidades de viento extremas, y de esta forma poder definir los distintos estados de mar que servirn de referencia para el diseo de la plataforma y el sistema de fondeo Cuaderno 2. Dimensionamiento.

Se describe con ms profundidad qu es una plataforma semisubmergible, su evolucin y elementos principales. Se selecciona una disposicin que se considera ms apropiada y se realizan clculos preliminares de pesos e inercias. Se aaden unas restricciones de flotabilidad y periodos propios que sirven para seleccionar un modelo inicial a partir del cual avanzar en la espiral de diseo. Cuaderno 3. Cargas en estructura offshore.

Este cuaderno es un extenso repaso a todas las cargas y solicitaciones principales a las que se ve sometida una plataforma flotante. Cargas por olas, cargas por corrientes, efectos de deriva, slamming, cargas de viento sobre la obra viva de la plataforma, etc. Este ltimo clculo, est bastante simplificado y no se consideran los efectos dinmicos de las palas del aerogenerador rotando. Cuaderno 4. Formas y disposicin general.

Se optimizan las formas y se muestra la disposicin general. Es un proceso iterativo y a medida que se fueron realizando los estudios necesarios para validar la plataforma se va definiendo la disposicin general. Cuaderno 5. Estabilidad.

Para disear una estructura flotante es imprescindible estudiar la estabilidad intacta y tras averas. Las administraciones as nos lo exigirn. Se definen los distintos parmetros

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hidrostticos para varias situaciones de carga de las plataformas. Se realiza un estudio de las curvas de adrizantes-escorantes. En cuanto a la estabilidad tras averas se supone una avera tipo y se realizan las modificaciones estructurales pertinentes para que se cumplan los criterios aplicados. Cuaderno 6. Comportamiento en la mar.

Se hace un estudio bsico de comportamiento en la mar. El objetivo es chequear los periodos propios de la plataforma para evitar efectos resonantes. Tambin se evalan las aceleraciones de la gndola para diversos estados de mar. El estudio se hace en el dominio de la frecuencia. Se comentan los efectos no lineales y asociados a la vorticidad que el software no es capaz de evaluar. Entre los efectos no evaluados faltara por considerar el efecto giroscpico de las palas sobre el total de la plataforma. Los movimientos en guiada que causara este efecto deben ser absorbidos por el sistema de catenarias.

Cuaderno 7. Calculo de estructuras.

En este cuaderno se define el escantillonado (espesores de acero y refuerzo asociado) y la estructura de las columnas y pontones atendiendo a los criterios marcados por el DNV. Dicha estructura cumple los criterios de resistencia local. Ha quedado fuera del mbito del proyecto la validacin a cargas globales de la estructura por no disponer del software necesario, no obstante se ha aadido la explicacin terica de cmo hacer esta validacin mediante un modelo tridimensional aplicando mtodos de elementos finitos. La definicin del peso de acero es un proceso iterativo y a medida que se va definiendo la estructura se actualizan los pesos. Cuaderno 8. Equipos y sistemas auxiliares.

Los sistemas y equipos a bordo son sencillos en comparacin con los que suele tener un buque. Adems se ha tratado de buscar la mayor sencillez posible para disminuir los mantenimientos al mximo posible. El sistema ms caracterstico lo constituye el sistema de lastre que sirve para instalar desinstalar la plataforma y adems compensar la escora/trimado inducido por el viento. Cuaderno 9. Mantenimiento de la posicin.

Se definen y se explican los tipos de fondeo y sus caractersticas. As como los elementos caractersticos del mismo. Se ha diseado el sistema de fondeo usando Orcaflex. Se realiza un anlisis esttico y posteriormente un anlisis dinmico considerando tres estados de mar distintos. Las conclusiones y las limitaciones del estudio se comentan en el propio cuaderno.

Cuaderno 10. Ingeniera elctrica.

Se plantea a dos niveles. Por un lado, el balance elctrico a bordo con el cual se definen los consumos propios de la plataforma. Y las tensiones a las que se operan los equipos de abordo. Por otro lado se define la forma de conexin del parque, las tensiones de transporte, etc. Todo ello atendiendo a la distancia a la costa, la seguridad del sistema, etc.

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Cuaderno 11. Operacin y mantenimiento.

Se plantean los elementos necesarios para instalar y mantener el parque: buques, personal etc. Todo ello con el objetivo de hacer una estimacin de costes que quede reflejado en el siguiente cuaderno a efectos de costes.

Cuaderno 12. Costes y viabilidad.

Se ha hecho una estimacin de los costes totales del parque. Se ha seguido un procedimiento habitual en construccin naval aunque resulta fcil adaptar el presupuesto a la clasificacin en costes de capital y operativos ms empleados en la terminologa de la construccin de parques elicos. Bilbao, Marzo-2011

Escuela Tcnica Superior de Ingenieros Navales. Proyecto 1746

Parque elico marino flotante

Cuaderno 0

Objetivos

y

Descripcin general

Cuaderno Cuaderno Cuaderno Cuaderno 0 0 0 0 Objetivos y descripcin generalObjetivos y descripcin generalObjetivos y descripcin generalObjetivos y descripcin general Proyecto 1746

Parque elico marino flotante Bernardino Couago Lorenzo

Ramn Barturen Antpara 2

ndice.

ndice de tablas. ..................................................................................................................................... 4

1 Introduccin................................................................................................................................... 5

2 Enfoque conceptual del proyecto................................................................................................ 6

2.1 Anlisis y seleccin de plataformas soporte de los aerogeneradores. ................................... 7

2.1.1 Profundidad de instalacin. Peso de acero y desplazamiento. .......................................... 8

2.1.2 Estabilidad y comportamiento en la mar. ........................................................................... 9

2.1.3 Sistemas a bordo. ............................................................................................................ 12

2.1.4 Construccin de la plataforma.......................................................................................... 13

2.1.5 Instalacin de las plataformas. ......................................................................................... 15

2.1.6 Montaje del aerogenerador. ............................................................................................. 16

2.1.7 Evacuacin elctrica. ....................................................................................................... 16

2.1.8 Criterios logsticos. ........................................................................................................... 17

2.1.9 Criterios de O&M.............................................................................................................. 17

2.1.10 Sistema de fondeo integral. ......................................................................................... 18

3 Aerogeneradores......................................................................................................................... 19

3.1 Subsistema de captacin...................................................................................................... 20

3.1.1 Fabricacin de las palas................................................................................................... 21

3.2 Subsistema de orientacin. .................................................................................................. 22

3.3 Subsistema de regulacin y control. ..................................................................................... 22

3.4 Subsistema de transmisin................................................................................................... 22

3.4.1 Funciones de la multiplicadora. ........................................................................................ 24

3.4.2 Multiplicadora tipo planetario............................................................................................ 24

3.4.3 Lubricacin de la multiplicadora. ...................................................................................... 25

3.4.4 Sistema de caldeo............................................................................................................ 25

3.4.5 Sistema de refrigeracin. ................................................................................................. 26

3.5 Subsistema de aprovechamiento. ........................................................................................ 26

3.5.1 Generador sncrono (multipolo)........................................................................................ 27

3.5.2 Generador asncrono. ...................................................................................................... 27

3.6 Subsistema de sustentacin-................................................................................................ 29




3.7 Aerogenerador Repower 5M ................................................................................................ 30

3.7.1 Rotor y Palas.................................................................................................................... 31

3.7.2 Tren de potencia. ............................................................................................................. 34

3.7.3 Torre y gndola. ............................................................................................................... 35

3.7.4 Sistema de orientacin..................................................................................................... 36

4 Normativa y legislacin vigente................................................................................................. 37

5 Software ....................................................................................................................................... 38

6 Bibliografa y referencias............................................................................................................ 40

ndice de figuras.

Figura 2.1. Tres conceptos de plataformas flotantes: Semi sumergible , TLP, Spar................................ 8

Figura 2.2 Curva de potencia del aerogenerador Repower de 5MW. [Repower] ..................................... 9

Figura 2.3 Distintos parmetros en funcin del viento de un aerogenerador de 5MW [Jonkman] ........... 9

Figura 2.4. Perfil de velocidades de viento [Van der Tempel] ................................................................ 10

Figura 2.5 Movimientos en los 6 grados de libertad de una estructura flotante. (journee) .................... 11

Figura 3.1. Perfiles aerodinmicos en la pala del aerogenerador .......................................................... 20

Figura 3.2. Perfil de pala de aerogenerador........................................................................................... 21

Figura 3.3. Multiplicadora. (www.nskeurope.es) .................................................................................... 24

Figura 3.4. Multiplicadora tipo Planetario. .............................................................................................. 25

Figura 3.5. Sistema de caldeo. .............................................................................................................. 26

Figura 3.6Generador Sncrono. ............................................................................................................. 27

Figura 3.7Generador Asncrono............................................................................................................. 27

Figura 3.8. Generador Asncrono de jaula de ardilla.............................................................................. 28

Figura 3.9. Generador Asncrono de rotor bobinado.............................................................................. 29

Figura 3.10. Generador Repower 5MW en el parque Alpha Ventus ...................................................... 31

Figura 3.11. Palas Repower 5MW ......................................................................................................... 32

Figura 3.12. Perfiles aerodinmicos de la pala de 5 MW. [E.p].............................................................. 33




Figura 3.13. Distribucin de perfiles en la pala. [E.p] ............................................................................. 34

Figura 3.14. Pala a escala real. [E.p] ..................................................................................................... 34

Figura 3.15. Interior de la gndola de REPOWER 5 MW. [Repower] .................................................... 35

Figura 3.16. Gndola y rotor Generador Repower 5MW........................................................................ 36

ndice de tablas.

Tabla 2.1. Criterios de seleccin de la plataforma. ................................................................................ 19

Tabla 3.1. Caractersticas aerodinmicas de las palas del aerogenerador. [Jonkman] ......................... 33




1 Introduccin

La creciente demanda energtica ocasionada por diversos factores tales como el crecimiento demogrfico a nivel mundial, el aumento de consumo elctrico asociado a un mayor nivel de vida, el desarrollo tecnolgico, economas emergentes sobre todo del Este asitico etc., han dado lugar a la necesidad de un aprovechamiento ms profundo de todas las fuentes de energa disponibles.

Lo que hace aos eran opciones experimentales poco a poco se estn convirtiendo, si no en la solucin, s en parte de ella.

La dependencia de los recursos petrolferos origina que aquellos estados cuya estrategia energtica se fundamente en ellos, sean extremadamente vulnerables ante su disponibilidad, fluctuaciones de sus precios, decisiones diplomticas, etc.

Por otro lado, el acelerado cambio climtico y el deterioro del medio ambiente asociado a nuestro desarrollo industrial han hecho parte de nuestra vida cotidiana conceptos como ecologismo, sostenibilidad, reciclaje, fuentes de energa renovable

Es inevitable, por tanto, que el mundo de la ingeniera que siempre ha caminado a la vera del desarrollo tecnolgico y econmico se sume, no como mero testigo, sino como participante activo en estos emergentes sectores.

El reto ya no estriba tan slo en producir ms y mejor, sino que adems ha de hacerse de modo sostenible y minimizando el efecto sobre el medio ambiente.

El potencial energtico que nos ofrecen las corrientes de aire en alta mar es inmenso y saber aprovecharlo, tratando de influir lo mnimo en los ecosistemas marinos, es una tarea que permitir servir de nexo entre intereses econmicos e intereses ecolgicos que tradicionalmente se han caracterizado por ser fuente de desencuentros.

El objetivo de este proyecto es aportar un pequeo grano de arena al mundo de las energas renovables, ms concretamente, en el campo de la energa elica marina.

En la actualidad, existen parques instalados y en funcionamiento en el Norte de Europa y pases como Dinamarca, Holanda, Alemania, Reino Unido ya hace aos que iniciaron la carrera por aprovechar estos recursos.

El caso de Espaa, como el de la mayora de los pases del mundo, es muy diferente a los anteriormente mencionados de Dinamarca o Alemania. Mientras en estos ltimos se puede hablar de profundidades de entre 15 y 35 metros, en Espaa la plataforma continental es muy pequea. Esto hace que la ya desarrollada tecnologa para pilotar las torres no sea apta para estos emplazamientos.

Las soluciones flotantes son las que permitirn el aprovechamiento del recurso elico en nuestro pas.




2 Enfoque conceptual del proyecto.

Esta memoria propone una visin general de los contenidos del proyecto y sienta las bases para los distintos apartados que se tratan a lo largo del mismo.

El objetivo principal es disear una plataforma flotante para un aerogenerador de 5MW. El parque se ubicar en un emplazamiento de aguas profundas en el litoral espaol y estar formado por 20 plataformas sumando un total de 100 MW.

Se abordarn conceptualmente las distintas fases de proyecto habituales en el diseo de un buque o estructura flotante y adems se ofrece una visin de conjunto de toda la infraestructura.

El proyecto se divide en 13 grandes bloques (cuadernos) siguiendo el formato habitual que se sigue en la Escuela Tcnica Superior de Ingenieros Navales. A saber :

Cuaderno 0 Descripcin y objetivos.

Cuaderno 1 Emplazamiento y condiciones meteocenicas.

Cuaderno 2 Dimensionamiento.

Cuaderno 3 Cargas en estructuras flotantes.

Cuaderno 4 Disposicin general.

Cuaderno 5 Hidrosttica y estabilidad.

Cuaderno 6 Comportamiento en la mar.

Cuaderno 7 Clculo de estructuras.

Cuaderno 8 Equipos y sistemas auxiliares

Cuaderno 9 Mantenimiento de la posicin.

Cuaderno 10 Ingeniera elctrica.

Cuaderno 11 Instalacin, operacin y mantenimiento.

Cuaderno 12 Costes y anlisis financiero..

En la actualidad no existe ninguna instalacin de caractersticas similares en funcionamiento. La falta de una base de datos con plataformas similares como referencia, obliga a seguir procedimientos distintos a los empleados en buques para el diseo de la plataforma1.

Obviamente, las dimensiones y el desplazamiento de una plataforma que tan slo ha de soportar a un aerogenerador de unos cientos de toneladas, frente a las miles de toneladas que una de prospeccin petrolfera implica, no nos permite seguir el mtodo habitual de las regresiones lineales para el dimensionamiento, pero s que servir para centrarse en cuanto a rdenes de magnitud se refiere, y sobre todo, para introducirse en el mundo de la tecnologa offshore.

1 En el Cuaderno 2 se muestran algunos ejemplos de proyectos conceptuales de plataformas flotantes para aerogeneradores.




Parece lgico que los primeros pasos de la elica flotante se apoyen en las ya maduras tecnologas del offshore del petrleo y el gas. Las tres tipologas de partida sern :

Plataformas semisumergibles

Plataformas con lneas de fondeo a tensin (TLP)

Plataformas Spar

2.1 Anlisis y seleccin de plataformas soporte de los aerogeneradores.

La toma de decisiones en cuanto al tipo de plataforma ptima tambin est ligada al sistema de fondeo que se emplee, al procedimiento de instalacin, la complejidad tecnolgica del sistema, construccin de la plataforma, etc. por lo que tendremos que esperar al final de la valoracin tcnica para escoger el tipo de plataforma que constituya el parque. Se trata de ofrecer una visin global que permita poner en juego todos los factores de diseo (o al menos los crticos) no slo de la plataforma, sino del conjunto del parque.

Los conceptos en que se basan estas tecnologas son tres principalmente:

Plataformas semisumergibles: son estructuras cuyo principio fsico se basa en el equilibrio de fuerzas empuje-peso. Formadas por pontones o cascos bajos cuya misin es proporcionar la flotabilidad necesaria durante la condicin en trnsito de la plataforma. Estos pontones son inundados en el lugar de instalacin seleccionado, de forma que el conjunto se hunde pasando a flotar sobre las columnas. Dichas columnas han de proporcionar la flotabilidad, estabilidad y resistencia estructural que garantice el correcto funcionamiento y la integridad del aerogenerador.

Plataformas con lneas de fondeo a tensin (TLP): su configuracin suele ser similar a la de las semis, sin embargo, su funcionamiento es distinto. Estas plataformas, flotan sobre pontones durante el trnsito, se inundan durante la instalacin y despus se deslastran para conseguir una tensin predefinida que hacen tensionar las lneas de fondeo y de esta manera se consigue el mantenimiento de la posicin.

Plataformas Spar: las plataformas Spar son estructuras monocasco de gran calado con una configuracin generalmente cilndrica y vertical. Flotan horizontalmente hasta el emplazamiento, donde llenan sus tanques de lastre para conseguir su posicin vertical.

Hacer un anlisis tcnico a profundidad de estos tres tipos de plataformas se escapa del objetivo del proyecto, pero s que establecer una valoracin cualitativa en la que intervengan criterios tcnicos y los econmicos asociados.




Figura 2.1. Tres conceptos de plataformas flotantes: Semi sumergible , TLP, Spar

2.1.1 Profundidad de instalacin. Peso de acero y desplazamiento.

En el caso que nos ocupa, el objetivo es soportar un aerogenerador de al menos 5MW, de unas 700 ton, aunque se debera tener en cuenta que en un futuro esta potencia y pesos pueden ser mayores.

La carga til, es decir el peso a soportar por este tipo de plataformas se estima en torno a las 1000 ton, suponiendo el aerogenerador el 70% de dicha cifra. Las semisumergibles variarn su peso de acero entre 1500-2400 ton de acero. Por lo tanto, el peso en rosca, rondar las 2500-3400 ton, hablando en nmeros redondos y algo conservadores. Es decir, las plataformas son muy voluminosas para tan slo soportar el aerogenerador, pero estas dimensiones son necesarias para conseguir disminuir al mximo los movimientos y que el aerogenerador pueda funcionar correctamente.

Las TLP necesitan mayor empuje para lograr la pretensin requerida para limitar las excursiones en el plano horizontal (deriva y largada) por lo tanto el volumen ser algo mayor y por ello el peso de acero.

Las spar presentan mucho calado y como el escantilln necesario es mayor a medida que aumenta el calado, aumentar el peso de acero, junto con la necesidad de emplear mayor nmero de cordones de soldadura.2

Por otro lado, las semis pueden operar a casi cualquier profundidad. Las restricciones en este sentido las marcan las lneas de fondeo, ya que si estamos a muy altas profundidades se necesitar mucha longitud de la lnea.

2 Tanto en el cuaderno 2 Dimensionamiento, como en el cuaderno 7 Clculo de estructuras se hacen los clculos correspondientes a la opcin seleccionada.




Las TLP pueden operar a altas profundidades y aunque no tienen el problema de las semis en lo que al radio que ocupan las lneas de fondeo se refiere, a medida que aumentamos la profundidad se requiere ms pretensin para conseguir limitar las excursiones en deriva y largada.

Las spar estn limitadas a su uso en grandes profundidades. Siempre mayores de al menos 150-200 m.

2.1.2 Estabilidad y comportamiento en la mar.

Este tipo de plataformas tambin requieren estudios de estabilidad como cualquier tipo de estructura flotante. El principal momento escorante lo proporciona el viento. Para este tipo de aerogeneradores el mayor thrust se obtiene cuando las palas enfrentan la mayor parte de su superficie al viento. Esto es, con unas velocidades aproximadas de 11 a 13 m/s en los que el aerogenerador alcanza su potencia nominal, como se puede ver en las figuras siguientes. Para velocidades mayores, el aerogenerador sigue generando 5MW pero rota sus palas disminuyendo el rea proyectada por lo que el momento disminuye.

Figura 2.2 Curva de potencia del aerogenerador Repower de 5MW. [Repower]

Figura 2.3 Distintos parmetros en funcin del viento de un aerogenerador de 5MW [Jonkman]




Este viento medio en el caso de semis y spar se traduce en una escora constante, mientras que en las TLP en un exceso de tensin en las lneas de fondeo que primero se enfrentan al efecto del viento.

Las rachas de vientos pueden empeorar la situacin puntualmente. Para ello se recurre al control del paso de las palas para disminuir los efectos de estas fluctuaciones.

Figura 2.4. Perfil de velocidades de viento [Van der Tempel]

El xito de las semisumergibles pasa por proporcionar la estabilidad necesaria debido al gran momento de inercia de la flotacin respecto al bajo volumen de carena. De esta forma el radio metacntrico BM es alto. Adems en la parte baja se encuentran los pontones y el lastre por lo que la cota del centro de gravedad KG es baja.

KGV

IKBKGBMKBGM +=+=

Ec. 2.1

Las spar son estructuras muy estables debido a que el centro de gravedad es muy bajo, incluso por debajo del centro de carena. El radio metacntrico no es muy grande, sin embargo, s que lo es KB. No obstante, comparativamente se comportan peor en balance y cabeceo ya que se reduce el rea de la flotacin, y con ello la inercia de la flotacin respecto a una semi.

El estudio de estabilidad en una plataforma TLP ya instalada no tiene razn de ser ya que el sistema tiene un exceso de empuje que tiende a mantener al sistema plataforma-lneas a tensin. No obstante, ha de ser estable en su situacin de trnsito antes de estar amarrada a las lneas de fondeo.

El cuaderno 5 Hidrosttica y estabilidad se centra en este estudio.

En cuanto a la respuesta al efecto de las olas, las tres plataformas tienen comportamientos distintos.

Las plataformas offshore responden a vientos, olas y corrientes con movimientos distintos. Se suelen dividir en tres tipos:

Movimientos en fase con la frecuencia de las olas (WF).




Movimientos de bajas frecuencias (LF). Movimientos de altas frecuencias (HF).

Los WF y HF son movimientos de origen no viscoso, mientras que los efectos viscosos suelen relacionarse con los movimientos LF.

Figura 2.5 Movimientos en los 6 grados de libertad de una estructura flotante. (journee)

En el proceso de diseo se ha de tratar que los perodos propios de oscilacin de la estructura se alejen lo ms posible de los perodos del oleaje para evitar fenmenos de resonancia. En el cuaderno 6 Comportamiento en la mar se habla largo y tendido sobre estos temas.

Las plataformas flotantes sin fondear no presentan fenmenos resonantes en largada, deriva y guiada. Cuando se fondean los perodos propios en estas tres direcciones son del orden de minutos y por lo tanto, lejanos de los intervalos de resonancia.

Periodos propios tpicos de las semisumergibles del petrleo y gas suelen rondar los valores siguientes:

Largada, deriva, guiada : 100s Alteada: 20 s 50s Balance, cabeceo : 30 s 60

Los tres primeros, (movimientos en el plano horizontal), suelen ser las direcciones menos restrictivas y son los otros tres (en el plano vertical) los que normalmente suponen mayores problemas en el comportamiento de las semis, ya que son los que ms afectan a la eleccin y dimensionamiento del cableado elctrico y las lneas de fondeo.

No obstante, estos datos son de aplicacin a las grandes plataformas para el offshore del gas y el petrleo, y no se deben seguir a rajatabla estas consideraciones aunque si nos deben dar un orden de magnitud.

Los movimientos de altas frecuencias caractersticos de TLPs, en una plataforma offshore de petrleo y gas son importantes para los sistemas de fondeos y los fenmenos de fatiga.

Las TLP tienen un comportamiento excelente en heave, roll y pitch pero su principal problema son los costes de instalacin de las lneas de fondeo, los cambios en la pretensin debido a las mareas y los




posibles acoplamientos entre las frecuencias naturales de oscilacin del aerogenerador, del mismo orden de magnitud que las lneas a tensin.

Las spar tienen mejor comportamiento en alteada que las semis al tener fuerzas de excitacin verticales menores y un gran calado. [windfloat]

Por otro lado, las plataformas flotantes para aerogeneradores marinos presentan una serie de efectos no lineales o transitorios que hacen que el anlisis tradicional empleado en la industria offshore no resulte del todo adecuado. En la actualidad diversos investigadores [NREL] estn desarrollando programas informticos que sean capaces de evaluar los efectos aerodinmicos e hidrodinmicos conjuntamente. En este proyecto no se entrar a valorar este tema que es por s mismo suficientemente denso como para dedicarle un estudio aparte.

2.1.3 Sistemas a bordo.

El armamento de la plataforma ser relativamente sencillo comparado con el de un buque. Se considera que no sern crticos, o excluyentes. Es decir, cada plataforma necesitar, atendiendo a sus caractersticas, soluciones tcnicas especficas pero que ya existen en buques y plataformas clsicas.

En el cuaderno 8 Sistemas y equipos a bordo trata en profundidad el diseo de los mismos.

Tanto las spar como las semis pueden escorar, trimar, y moverse en alteada ya que su sistema de fondeo (caso de ser con catenarias) no es muy restrictivo en estos grados de libertad. Se pueden compensar con un sistema de trasiego de lastre lquido que provoque un momento adrizante que se oponga a los mismos. Este sistema de trasiego es sencillo, sin embargo, aade necesidades de mantenimientos y un control remoto susceptible de fallo.

Las TLP no presentarn este problema sin embargo la accin del viento se traduce en un pico de tensin en algunas de las lneas de fondeo y una prdida de tensin en las lneas hacia las que tiende a inclinarse la plataforma. Esta fluctuacin en las tensiones provocar problemas de fatiga. Las mareas afectan a las TLP requiriendo un sistema que mantenga la tensin de las lneas. Es decir, al bajar la marea se pierde empuje por lo que las lneas estn menos tensas y esto debe corregirse o bien deslastrando ms la plataforma o con un sistema que mantenga la tensin constante.

Los sistemas bsicos y que podemos considerar comunes seran:

a) Sistema de lastre.

El sistema de lastre estar formado por bombas o compresores. Deben permitir la maniobra de lastrado. Adems deben funcionar para los trasiegos, lo que exigir que tengamos un sistema de control. Para ello los cables elctricos, incorporan fibra ptica, que nos permitir dicho control remoto desde tierra.

b) Sistema de seales y comunicaciones.

La plataforma tiene que estar localizada va GPS y/o va cable. Adems en todo momento se tiene que conocer la situacin operativa del aerogenerador para poder controlar la parada, conocer la potencia que estamos generando, el rgimen de giro de las palas, posibles incendios




c) Sistema contraincendios.

El sistema contraincendios del aerogenerador viene incorporado en la propia gndola. La plataforma, sobre todo, las zonas de los cuartos de bombas y de cuadros tienen que tener un sistema contraincendios monitorizado.

d) Sistema de emergencia.

Es posible que durante y tras una tormenta la plataforma se desconecte de la red. En este caso, se debe tener un sistema autnomo que proporcione los servicios mnimos de iluminacin, seales de posicin hasta que el servicio de mantenimiento proceda a su puesta a punto.

e) Pintura y proteccin catdica.

El sistema de proteccin catdica ser pasivo, con nodos de sacrificio. Se disear para perodos de al menos 10 aos.

f) Medios de elevacin: pescantes y gras.

Es necesario disponer una gra para poder manipular pesos en operaciones de mantenimiento como: reparacin de tuberas, cambio de bombas, sustitucin de bateras u otros elementos del sistema de emergencia.

No obstante, tambin puede ser un requerimiento exigible a los buques de operacin y mantenimiento y as se simplifica la plataforma.

Estabilidad, comportamiento en la mar, requerimientos estructurales y sistemas a bordo, son restricciones tcnicas que actualmente se trabaja en ellas y que a nuestro entender no ser el escollo principal de los parques elicos marinos flotantes, sin embargo, existen otras como son los costes del proceso de construccin, instalacin y mantenimientos que sern los que de verdad afecten a la viabilidad de los mismos.

2.1.4 Construccin de la plataforma.

Es esperable que el material que arranca con cierta ventaja para una hipottica construccin masiva de estructuras flotantes es el acero. Es un material de demostrada fiabilidad, con una reglamentacin completa que estandariza y exige unos requisitos a las estructuras marinas que son fruto de aos de experiencia.

Adems, los grandes centros de construccin tienen sus infraestructuras pensadas para el corte, soldadura y montaje de estructuras de acero.

La industria auxiliar y las ingenieras espaolas tienen sobrada experiencia en este campo y han especializado su experiencia en construccin de acero.

Tcnicamente, las plataformas de hormign seran viables, no obstante, la escasa presencia en este campo parece limitar su aplicacin, al menos en los primeros potenciales campos de aerogeneradores flotantes.




El astillero o astilleros seleccionados para la construccin de estas plataformas deben cumplir una serie de requisitos:

Medios de elevacin de hasta 400 ton a unos 100 m de altura para el montaje del aerogenerador.

Amplias campas para la ubicacin de las secciones que componen las torres de los aerogeneradores en torno a 45000- 70000 m2

La tecnologa empleada para construir las torres de los aerogeneradores es distinta a la empleada para la construccin de bloques de acero. Lo ideal sera que el propio astillero se encargase de la construccin de las torres para lo que tendra que adaptar su cadena de montaje, sus mquinas de corte y soldadura, etc.

Caractersticas de diques, gradas de construccin o explanadas de montaje: para las spar precisaramos unos 100 m de eslora, mientras que para las semis o las TLP estamos hablando de un mnimo de 40 m de manga y una eslora de similares caractersticas.

La sencillez de los sistemas permitir que los bloques salgan ya prcticamente armados para poder realizar el ensamblaje, lo que reduce los tiempos de construccin. Podramos reservar para el montaje en muelle los sistemas elctricos y detalles de puesta a punto.

Las spar al ser estructuras cilndricas requieren talleres de paneles curvos, preparados para el conformado y ensamblaje en bloques de dichas secciones. Se construyen horizontalmente por lo que estaramos hablando de un cilindro de unos 100 m de largo. La mayora de astilleros poseen gradas y diques que podran cubrir estas necesidades, sin embargo la estrategia constructiva es especfica para este tipo de plataformas. (www.technip.com )

La relacin eslora manga es similar a la de un barco [5




2.1.5 Instalacin de las plataformas.

En el cuaderno 11 se tratarn los temas concernientes a la instalacin, operacin y mantenimiento.

El proceso de instalacin puede requerir un elevado coste. La seleccin del tipo de plataforma puede hacer variar ostensiblemente dichos costes.

Se evala como sera un proceso genrico de instalacin de cada una de ellas y qu dispositivos se precisan.

Las spar se remolcan horizontalmente hasta el emplazamiento, donde llenan sus tanques de lastre para conseguir su posicin vertical. El aero se instala posteriormente. En esta maniobra intervienen al menos un par de remolcadores, y un buque especfico para instalar aerogeneradores.

En la actualidad no existen buques especializados en la instalacin de aerogeneradores en aguas profundas por lo que los costes de instalacin se disparan y debido a la complejidad del proceso dicha instalacin slo se puede realizar en condiciones de mar muy favorables con olas de altura significativa inferior a 1.5m

Se ha de tener en cuenta que se estn moviendo grandes pesos en una gra en un buque oscilando en el mar y se han de depositar en otra estructura flotante con otra oscilacin distinta.

Otra desventaja de las Spar es que una vez instalado el aerogenerador, cualquier eventual maniobra para llevar el sistema a puerto requiere desmontar el aero antes, con los costes aadidos que eso supone.

Las semisumergibles y las TLP pueden ser remolcadas en su calado de trnsito. Al llegar al emplazamiento se lastran para alcanzar el calado de operacin. La diferencia es que las TLP requieren ser fijadas a las lneas de fondeo y una vez realizada la maniobra se deslastran para lograr la tensin que garantiza su mantenimiento de la posicin, tal y como se coment anteriormente.

La gran ventaja de estas plataformas frente a las spar es que pueden ser calculadas para realizar la maniobra de instalacin con el aerogenerador ya montado en tierra y eliminamos la complicacin tecnolgica y el coste que aade un buque instalador en alta mar.

La instalacin de las semis es la ms sencilla y es un proceso relativamente habitual.

Instalar una TLP requiere una maniobra no tan comn. Una vez que se consigue unir la plataforma a las lneas de fondeo hemos de deslastrar la estructura y de esta forma va aumentando la tensin en las lneas. El deslastre tiene que ser homogneo para no descompensar las cargas sobre el sistema de fondeo.

La spar posiblemente sea la ms compleja de las tres ya que requiere un lastrado progresivo de tanques hasta conseguir su posicin vertical.

En cuanto a las lneas de fondeo se pueden disear las plataformas con capacidad para transportar el total de las mismas a bordo lo que nos har dimensionar la plataforma de mayor tamao por temas de estabilidad.




La otra opcin es realizar un prefondeo de las lneas y posteriormente realizar la maniobra de fijacin de la plataforma.

Cualquiera de las dos opciones es posible con las spar y las semis. Con las TLP se ha de recurrir al segundo mtodo.

2.1.6 Montaje del aerogenerador.

Se plantean dos soluciones posibles.

La solucin actual en parques pilotados es instalar primeramente la estructura de soporte fija y posteriormente los aerogeneradores con buques o barcazas especficas para ello.

Instalar todo el aerogenerador o parte del mismo en tierra y realizar luego la maniobra de remolque.

La solucin spar tan slo permite realizar la instalacin en alta mar.

Las TLP y las semis permiten ambas lo cual es un claro factor a su favor.

La reduccin de costes, la sencillez tcnica y la agilidad en el proceso productivo, que permitira el poder montar los aerogeneradores en tierra, hace que el montaje integral plataforma-aerogenerador sea una solucin ms apropiada.

Se ha optado por mquinas de 5MW. En la actualidad (Noviembre 2010) tres son las empresas que disponen de este tipo de mquinas:

Bard Energy Repower Areva

Otras como Vestas ya estn desarrollando mquinas de 6MW.

La visin de los autores de este trabajo es que los desarrolladores de mquinas y plataformas deben ir de la mano. A diferencia de lo que ocurre en tierra en donde la zapata no es un elemento crtico del parque, en el mar las estructuras soporte s que lo son.

No servir de mucho hacer mquinas enormes si en todo momento no se est pensando en lo que supone colocarlas en una estructura flotante.

2.1.7 Evacuacin elctrica.

Los cables elctricos son de vital importancia desde el punto de vista de la generacin elctrica. Sin embargo, la seleccin de una u otra plataforma no tiene porque ser crtico para los mismos.

Las TLP restringen los movimientos en alteada, balance y cabeceo por lo que los cables sufrirn solicitaciones menores que en el caso de semis y spar.




La subestacin elctrica si se encuentra en el parque aade unas restricciones al diseo que puede obligar incluso la necesidad de incluir una plataforma especfica para la misma. Se habla largo y tendido a este respecto en el cuaderno 10.

2.1.8 Criterios logsticos.

Los criterios logsticos asociados a la seleccin de un tipo u otro de plataforma no parecen ser crticos. Las consideraciones logsticas son importantes en cuanto a lo que espacio se refiere en el puerto o astillero para los aerogeneradores y plataformas, los accesos a dichas zonas para el transporte de torres (caso de que no se construyan en el astillero), medios de elevacin, etc.

En cuanto a los pilotes o anclas y lneas de fondeo las empresas especializadas suelen disponer de la infraestructura necesaria para elaborar y distribuir sus productos.

En el caso concreto de los pilotes pueden ser construidos por empresas locales y el desarrollo de ingeniera lo proporcionan empresas especializadas como SPToffshore o Delmar.

En cuanto a las subestaciones en tierra se ha de verificar cules son las idneas para la conexin del parque.

Cmo podemos ver los criterios logsticos son muy importantes pero no se relacionan especialmente con el tipo de plataforma seleccionada, sino ms bien con el conjunto del parque.

2.1.9 Criterios de O&M.

En el cuaderno 11 se entra en detalle en la estrategia de O&M. Aqu se mencionan algunas caractersticas.

La operacin y el mantenimiento es una de los factores de mayor importancia dentro de esta infraestructura. El flete de buques es muy caro y la mano de obra para realizar el mantenimiento es ms cara que la empleada en tierra. No slo hemos de realizar el mantenimiento de los aerogeneradores sino que tambin se ha de hacer lo propio con las plataformas.

Los parques estarn certificados por algunas de las Sociedades de Clasificacin y sus standards suelen ser bastante restrictivos.

a) Operacin.

La tendencia es que la operacin de las plataformas sea lo ms sencilla posible ya que se tratar de que no sean tripuladas. Los sistemas de a bordo ya hemos visto que no son muchos y que en general su complejidad tecnolgica pasa por ser sistemas de control remoto.

Las semis requieren un sistema de compensacin de escoras y trimados por lo que se ha de trasegar lastre. Este proceso tendr que estar monitorizado y controlado desde el centro de operaciones del parque.




Las TLP no requerirn de estos sistemas pero si que han de poder variar su desplazamiento para poder adaptarse a las mareas. Adems se ha de tener controlada la tensin en las lneas que es lo que restringe los movimientos de la plataforma.

Las spar posiblemente son las que una vez instaladas sean ms sencillas de operar.

b) Mantenimiento.

Las spar son las que presentan mayores problemas por su gran calado dificultando el acceso y las inspecciones en las zonas de gran profundidad.

Adems en caso de averas graves presentan el hndicap de que se han de reflotar horizontalmente teniendo que desmontar el aero.

Semis y TLP presentan caractersticas comunes en este aspecto y requerirn mantenimientos similares.

En caso de avera que requiera ir a puerto ambas pueden ser reflotadas con el aero encima lo cual les da una gran ventaja.

2.1.10 Sistema de fondeo integral.

Con fondeo integral se quiere decir que las plataformas puedan compartir puntos de anclaje y reducir el nmero de anclas o pilotes empleados para mantener la posicin del conjunto de plataformas. De esta forma reducimos los costes del propio anclaje y de su instalacin. Se hablar con ms detalle de los elementos del sistema de fondeo y de los tipos existentes en el cuaderno 9 Mantenimiento de la posicin

En base a todos estos criterios de seleccin se establece una comparacin numrica entre los distintos tipos de plataformas y se asigna a cada uno de los criterios un factor de importancia que nos permite realizar una toma de decisiones.

Todo ello queda reflejado en la Tabla 2.1. dnde se le asigna un valor numrico que vara de cero a tres a cada uno de los criterios y despus se les asigna un factor de importancia para finalmente hacer una valoracin global.




CRITERIOS SEMI TLP SPAR Factor

de importancia SEMI TLP SPAR

Profundidad 2 2 1 1 2 2 1 Peso de acero 2 1 1 3 6 3 3 Estabilidad 2 3 2 3 6 9 6

Comportamiento en la mar 1 2 1 4 4 8 4 Sistemas a bordo 3 2 2 2 6 4 4

Construccin plataforma 2 2 1 4 8 8 4 Instalacin plataforma 3 2 1 5 15 10 5

Montaje del aerogenerador 3 3 1 5 15 15 5 Evacuacin elctrica 1 3 1 1 3 9 3 Criterios logsticos 2 2 2 3 6 6 6 Criterios de O&M 2 2 1 5 10 10 5

Sistema de fondeo integral 2 0 2 3 6 0 6

EVALUACIN GLOBAL 2,08 2,00 1,33 7,25 7,00 4,33

Tabla 2.1. Criterios de seleccin de la plataforma.

En base al estudio anterior se establece una plataforma semisumergible como la estructura a disear a lo largo del proyecto.

3 Aerogeneradores

La absorcin de la radiacin solar no es homognea a lo largo y ancho del globo terrestre. El gradiente de temperaturas ,provoca el correspondiente gradiente de presiones, lo que origina el desplazamiento de las masas de aire ocasionando las corrientes, esto es, el viento.

Se calcula que entre el 1 y el 2% de la energa proveniente del sol se convierte en viento. Excluyendo

regiones protegidas por su valor ecolgico, esto supone un potencial de energa elica de 53 TWh/ao

en el mundo, varias veces ms que el consumo de todo el planeta. Por tanto, en teora, la energa elica permitira atender las necesidades energticas del mundo.

Obviamente, estos clculos no dejan de ser una interpretacin sensacionalista del potencial de la energa elica, ya que es imposible el aprovechamiento del cien por cien de esta energa , aunque s que nos muestran el enorme potencial de la misma.

La inmensa mayora de los aerogeneradores modernos son tripalas y de eje horizontal.

Aunque no es el objeto de este trabajo se presenta una breve descripcin de los componentes de un aerogenerador y de su funcionamiento por si en algn momento se ha de recurrir a alguna terminologa especfica y de este modo se facilite la comprensin de lo expuesto.

Podemos descomponer en diversos subsistemas las partes de las que consta un aerogenerador:

Subsistema de captacin.

Subsistema de orientacin.

Subsistema de regulacin y control.




Subsistema de transmisin.

Subsistema de aprovechamiento.

Subsistema de sustentacin.

3.1 Subsistema de captacin.

Las palas son en principal elemento de este subsistema.

Son las encargadas de captar la energa del viento, convertir el movimiento lineal de ste en un movimiento de rotacin, esta energa es transmitida al buje, del buje pasa a un sistema de transmisin mecnica y de ah al generador que transforma el movimiento de rotacin en energa elctrica.

Suelen ser de paso variable y su construccin suele ser mixta, con elementos metalicos en las zonas ms cercanas al buje y fibra de carbono en las zonas de la punta de la pala. Internamente estn formadas por un entramado estructural distribuido en cuadernas o bien con otro tipo de disposicin dependiendo del fabricante.

Los perfiles de las palas modernas son tipo NACA en las partes hacia la punta de la pala y en la zona ms cercana al rotor son ms robustos, como por ejemplo los diseados por la universidad de Delft (Holanda) como podran ser los DU 97-w-300.(Van der Tempel)

Figura 3.1. Perfiles aerodinmicos en la pala del aerogenerador

Se podra hablar largo y tendido sobre aerodinmica de perfiles pero eso nos llevara por derroteros demasiado extensos y que se salen del contenido del proyecto.




Figura 3.2. Perfil de pala de aerogenerador.

3.1.1 Fabricacin de las palas.

El proceso de fabricacin de las palas es laborioso. Generalmente estn construidas de la siguiente manera: una estructura central resistente ms dos cubiertas exteriores que forman el perfil aerodinmico.

Los requisitos que debe cumplir la pala para un correcto funcionamiento:

1) Tener una resistencia estructural adecuada a las condiciones de trabajo a las que va a ser sometida.

2) Resistencia a fatiga (en particular a tensiones oscilantes debidas a vibraciones).

3) Rigidez.

4) Peso bajo.

5) Facilidad de fabricacin.

6) Resistencia a agentes medioambientales (erosin, corrosin)

Los materiales ms empleados son:

1) Aleaciones de acero y de aluminio, que tienen problemas de peso y de fatiga del metal, respectivamente, son actualmente usadas slo en aerogeneradores muy pequeos.

2) Fibra de vidrio reforzada con resina polister, para la mayora de las modernas palas de rotor de grandes aerogeneradores.

3) Fibra de vidrio reforzada con resina epoxy ("GRP"), en forma de lminas preimpregnadas. Palas ms ligeras, mayor flexibilidad, menor deformacin bajo temperaturas extremas, excelente resistencia a la absorcin de agua.




4) Fibra de carbono o aramidas (Kevlar 29 o Kevlar 49) como material de refuerzo en tiras por sus buenas propiedades mecnicas. Alta resistencia especfica y palas muy ligeras. Aunque no son demasiado econmicas.

5) Mixtos fibra de vidrio-fibra de carbono.

3.2 Subsistema de orientacin.

Este sistema es el encargado de orientar la torre para mejor aprovechamiento del viento. Generalmente, la gndola puede rotar sobre un eje vertical coincidente con el eje de la torre. Hoy en da, este proceso es de control electrnico sobre uno o varios motores elctricos que se encargan del giro.

Asimismo, las palas tambin son orientables para un mayor aprovechamiento de la energa del viento y tambin se pueden colocar de manera que el viento no produzca el giro para casos de parada, revisiones, averas, etc. Todos los mecanismos necesarios para realizar estos movimientos estn en el interior de la gndola.

3.3 Subsistema de regulacin y control.

Este sistema es el encargado de la regulacin de la velocidad de funcionamiento evitando posibles embalamientos y prdidas de velocidad.

El sistema de control permite parar y arrancar la mquina a voluntad y pararla automticamente en caso de averas. Ambos sistemas suelen estar integrados.

3.4 Subsistema de transmisin.

Transmite la potencia en el eje de la turbina elica hasta el subsistema de aprovechamiento.

Dispone de trenes de engranajes, rboles de transmisin, sistemas hidrulicos de potencia

El multiplicador es el encargado de convertir las bajas revoluciones por minuto que transmite el buje en altas revoluciones por minuto que son las que necesita el generador para poder producir electricidad, consta de una serie de engranajes que en varias etapas (entre 3 y 4 etapas normalmente) aumenta la velocidad del eje cardn que une el eje de salida de la multiplicadora con el eje del generador. Por lo tanto, en su etapa de entrada suele tener entre 15-25 r.p.m. y entre 1200 y 1800 r.p.m. en la etapa de salida.

Si ussemos un generador ordinario, directamente conectado a una red trifsica de CA (corriente alterna) a 50 Hz, con dos, cuatro o seis polos, deberamos tener una turbina de velocidad extremadamente alta, de entre 1000 y 3000 revoluciones por minuto (r.p.m.). Con un rotor de 43 metros de dimetro, esto implicara una velocidad en el extremo del rotor de ms de dos veces la velocidad del sonido, lo que provocara la rotura de la pala.




Otra posibilidad es construir un generador de CA lento con muchos polos. Pero si quisiera conectar el generador directamente a la red, acabara con un generador de 200 polos para conseguir una velocidad de rotacin razonable de 30 r.p.m.

Otro problema es que la masa del rotor del generador tiene que ser aproximadamente proporcional a la cantidad de par torsor (momento, o fuerza de giro) que tiene que manejar. As que, en cualquier caso, un generador accionado directamente ser muy pesado y caro.

De ah surge la necesidad de instalar multiplicadores intermedias. Con un multiplicador hace la conversin entre la potencia de alto par torsor, que obtiene del rotor de la turbina elica girando lentamente, y la potencia de bajo par torsor, a alta velocidad, que utiliza en el generador.

En el multiplicador es donde se sita la mayor prdida de rendimiento del aerogenerador. Para minimizar en lo mximo posible todo ello, los engranajes suelen ir sumergidos en aceite lubricante y este mismo aceite se hace circular por un circuito que lo filtra, lo enfra y lo reparte por todos los elementos mviles.

Este sistema de circulacin consta de distintos elementos:

Un grupo motobomba que lo hace circular por el circuito y que lo eleva hasta un intercooler que lo refrigera y que posteriormente lo pasa por un filtro con un sensor que alerta ante una alta cantidad de impurezas depositadas en l.

Una serie de sensores miden las velocidades en distintos elementos, temperaturas, posiciones, etc.

Actualmente, las empresas punteras en el sector de los aerogeneradores estn desarrollando distintas tecnologas (el generador mltipolo es la ms fuerte de ellas) para prescindir de este elemento y as obtener un mayor rendimiento, minimizar averas, reducir el peso (este elemento suele pesar en torno de 15 ton en funcin de la potencia nominal del aerogenerador) y as rentabilizar antes el aerogenerador.

El acoplamiento entre multiplicador y generador es elstico, con capacidad de absorber desalineamientos en operacin. El freno mecnico se monta sobre el eje rpido del multiplicador, y consiste en un disco, sobre el que acta una pinza hidrulica, segura ante el fallo.




Figura 3.3. Multiplicadora. (www.nskeurope.es)

3.4.1 Funciones de la multiplicadora.

Transmitir la potencia de giro del rotor al generador para producir energa.

Convierte el par de fuerza del rotor en aumento de las revoluciones.

Multiplica las revoluciones dependiendo del dimetro de rotor. Mayor dimetro de rotor igual a mayor ratio de transformacin.

Adaptacin evolutiva a la demanda.

3.4.2 Multiplicadora tipo planetario.

La multiplicadora tipo Planetario, es un tipo de multiplicador que se va imponiendo en la actualidad debido principalmente a las siguientes caractersticas:

Alta relacin de transformacin.

Varias multiplicaciones con un juego de engranajes.

Menor espacio de trabajo y compacto.

Soporta mayores cargas.




Figura 3.4. Multiplicadora tipo Planetario.

3.4.3 Lubricacin de la multiplicadora.

Para el correcto funcionamiento de la multiplicadora esta debe estar siempre perfectamente lubricada ya que esta formada por engranajes metlicos que al estar en movimiento, rozando con otros metales y soportando grandes esfuerzos tienden a calentarse y a degradarse, por lo que sin una correcta lubricacin su vida til se vera reducida drsticamente pudiendo provocar seras averas.

El sistema de lubricacin dispone de una bomba que se encarga de:

Recircular el aceite y lo distribuye por los conductos internos.

Puede estar integrada o ser externa a la multiplicadora.

Los engranajes tambin se lubrican por salpicadura.

El aceite se debe conservar en buen estado para ello ha de ser filtrado y refrigerado o calentado para que no pierda propiedades.

3.4.4 Sistema de caldeo.

La multiplicadora est equipada con elementos de calefaccin.

La viscosidad del aceite puede ser muy alta a bajas temperaturas.

El aceite con alta viscosidad es difcil de recircular y puede causar daos a la bomba.

La resistencia calientan el aceite y bajan la viscosidad a un nivel que es posible recircular bien.




Figura 3.5. Sistema de caldeo.

3.4.5 Sistema de refrigeracin.

La multiplicadora esta equipada con sistemas de refrigeracin del aceite encargados de mantener la temperatura en sus valores correctos para evitar que este pierda propiedades y deje de trabajar en las condiciones correctas.

3.5 Subsistema de aprovechamiento.

Est formado por un sistema elctrico que se encarga de transformar el trabajo mecnico en energa elctrica.

En los parques elicos, los aerogeneradores suelen estar equipados con un generador asncrono que requieren que la corriente de excitacin sea alterna por lo que necesitan estar conectados a la red elctrica.

El generador convierte la energa mecnica producida por el rotor en energa elctrica. Suelen utilizarse generadores asncronos de jaula de ardilla, junto con bateras de condensadores para mejorar su factor de potencia, aunque tambin pueden utilizarse generadores sncronos y asncronos de rotor bobinado.

La conexin a la red puede ser directa o indirecta, dependiendo si la turbina trabaja a velocidad constante o variable. Trabajando conectado de forma indirecta a la red conseguimos aprovechar los picos de velocidad del viento, pero el generador produce energa de frecuencia variable por lo que se necesitan equipos de adecuacin para volcar la energa en la red.

En la forma directa de conexin, la propia red limita la velocidad de giro del generador, por lo que no aprovecha los picos de mayor energa del viento.




3.5.1 Generador sncrono (multipolo).

El motor Sncrono es poco convencional y puede ser utilizado en grandes industrias para correccin de factor de potencia, en este caso, las velocidades del rotor y del estator tienden a igualarse, de ah el nombre de Sncrono.

Figura 3.6Generador Sncrono.

Ventajas y desventajas:

Control optimizado.

No usa multiplicadora.

Bajo deslizamiento.

Reduccin de tensin.

3.5.2 Generador asncrono.

Un motor asncrono es un motor convencional y se utiliza el trmino asncrono, por que tericamente la velocidad del rotor nunca puede alcanzar a la velocidad del estator (Deslizamiento).

Figura 3.7Generador Asncrono.




El motor de jaula de ardilla consta de un rotor constituido por una serie de conductores metlicos (normalmente de aluminio) dispuestos paralelamente unos a otros, y cortocircuitados en sus extremos por unos anillos metlicos, esto es lo que forma la llamada jaula de ardilla por su similitud grfica con una jaula de ardilla. Esta 'jaula' se rellena de material, normalmente chapa apilada. De esta manera, se consigue un sistema n-fsico de conductores (siendo n el nmero de conductores) situado en el interior del campo magntico giratorio creado por el estator, con lo cual se tiene un sistema fsico muy eficaz, simple, y muy robusto (bsicamente, no requiere mantenimiento).

El motor de rotor bobinado tiene un rotor constituido, en vez de por una jaula, por una serie de conductores bobinados sobre l en una serie de ranuras situadas sobre su superficie. De esta forma se tiene un bobinado en el interior del campo magntico del estator, del mismo nmero de polos (ha de ser construido con mucho cuidado), y en movimiento. Este rotor es mucho ms complicado de fabricar y mantener que el de jaula de ardilla, pero permite el acceso al mismo desde el exterior a travs de unos anillos que son los que cortocircuitan los bobinados. Esto tiene ventajas, como la posibilidad de utilizar un restato de arranque que permite modificar la velocidad y el par de arranque, as como el reducir la corriente de arranque.

En cualquiera de los dos casos, el campo magntico giratorio producido por las bobinas inductoras del estator genera unas corrientes inducidas en el rotor, que son las que producen el movimiento.

Figura 3.8. Generador Asncrono de jaula de ardilla.


Ms sencillo de fabricacin.

Menor versatilidad.

Necesita una sincronizacin suave a red (tiristores).




No regula el factor de potencia, necesita etapas de condensadores.

Figura 3.9. Generador Asncrono de rotor bobinado.


Permite inyectar y extraer energa del rotor.

Al inyectar diferentes frecuencias al rotor se consigue poder generar a velocidades muy diferentes de la de sincronismo.

Generador de velocidad variable (de 900 a 1500 r.p.m.).

Requiere sincronizacin a red antes de generar.

3.6 Subsistema de sustentacin-

Torre y gndola son los principales elementos de este subsistema.

La primera suele ser hueca, tubular y de acero aunque otras composiciones son posibles.

La gndola es el chasis principal del aerogenerador, se sita en la parte superior de la torre y en su interior se encuentran los elementos elctricos y mecnicos necesarios para convertir el giro del rotor en energa elctrica. Se encuentra unida a la torre por una corona dentada para permitir la orientacin del rotor al viento, y rotor y las palas por el eje principal que transmitir la fuerza del viento al multiplicador y al motor sucesivamente. En su parte exterior lleva instalado un anemmetro y una veleta conectados a los sistemas de control de aerogenerador, y unos respiraderos para garantizar la refrigeracin del motor. Se construyen en acero forjado y placas de fibra de vidrio.




Se ha propuesto esta visin general de los distintos componentes de un aerogenerador para poder comprender mejor a posteriori la terminologa empleada y la problemtica asociada a mantenimientos.

En el listado de ms abajo se muestran algunos de los aerogeneradores apropiados para medios marinos.

De entre ellos se opta por uno que servir de referencia.

El listado de las turbinas que ms se ajustan a las condiciones de partida del proyecto es el siguiente:3

1. Enercon E112 (4.5 MW)

2. Multibrid M5000 (5 MW)

3. Repower 5M (5 MW)

4. GE Energy 3.6s (3.6 MW)

5. Siemens 3.6 (3.6 MW)

6. Vestas V90 (3 MW)

7. Vestas V120 (4.5 MW)

8. Bard VM (5.2 MW)

9. Nordex 5M offshore (5MW)

Los aerogeneradores marinos tienen un rango de velocidades de funcionamiento distinto a los terrestres. Si bien stos estn pensados para unos vientos entre unos 3 a 25 m/s, los marinos cubren un rango de hasta los 30 m/s.

3.7 Aerogenerador Repower 5M

El aerogenerador seleccionado es el Repower 5M. Se tomarn los datos de referencia de la especificacin disponible en su web.

3 El listado corresponde a un sondeo de marcado a 30 de Octubre de 2009




Figura 3.10. Generador Repower 5MW en el parque Alpha Ventus

3.7.1 Rotor y Palas.

Tal y como se puede ver en la especificacin tiene el rotor tiene 126 m de dimetro. La velocidad de rotacin vara desde los 6,9 rpm a 12,1 rpm. El rango de operacin es de 3,5 a 30 m/s

Peso de pala: 17,7 ton, construidas con materiales compuestos.

rea abarcada por el disco de las palas : 12469 m2

ngulo de conicidad de las palas 4, con el objetivo de evitar impactos con la torre cuando las palas flexan por el efecto del viento.

Estas palas son de paso controlable (accionamiento elctrico)

Los aerogeneradores suelen disponer de un sistema que absorbe las descargas elctricas transmitindolas a lo largo de palas, gndola y torre hacia la plataforma y de ah al mar de acuerdo con la norma IEC 61024: Proteccin de estructuras contra los rayos.




Figura 3.11. Palas Repower 5MW

Las palas han sido proporcionadas por la empresa danesa LM Wind power. Estn constituidas por dos partes de fibra de vidrio que se ensamblan, apoyndose en dos vigas que recorren la pala longitudinalmente.

En la referencia (5) se definen todas las caractersticas de las palas por secciones. Para ello parten de los datos proporcionados en el proyecto Dutch Offshore Wind Energy Converter realizado dentro del 6 Programa Marco de la Unin Europea junto con datos obtenidos de las palas la empresa LM Wind Power. Como los tamaos de las palas eran ligeramente inferiores hacen una interpolacin para ajustar las caractersticas de la primera a la segunda.




Seccin Posicin en la pala

Angulo de rotacin entre perfiles

Tramo perfil Longitud Cuerda perfil

Tipo de perfil

m () (m) (m) 1 2,8667 13,308 2,7333 3,542 Cilindro 2 5,6000 13,308 2,7333 3,854 Cilindro 3 8,3330 13,308 2,7333 4,167 Cilindro 4 11,7500 13,308 4,1000 4,557 DU 40 5 15,8500 11,48 4,1000 4,652 DU 35 6 19,9500 10,162 4,1000 4,458 DU 35 7 24,0500 9,011 4,1000 4,249 DU 30 8 28,1500 7,795 4,1000 4,007 DU 25 9 32,2500 6,544 4,1000 3,748 DU 25 10 36,3500 5,361 4,1000 3,502 DU 21 11 40,4500 4,188 4,1000 3,256 DU 21 12 44,5500 3,125 4,1000 3,01 NACA 64 13 48,6500 2,319 4,1000 2,764 NACA 64 14 52,7500 1,526 4,1000 2,518 NACA 64 15 56,1667 0,863 2,7333 2,313 NACA 64 16 58,9000 0,37 2,7333 2,086 NACA 64 17 61,6333 0,106 2,7333 1,419 NACA 64

Tabla 3.1. Caractersticas aerodinmicas de las palas del aerogenerador. [Jonkman]

Se ha contactado con W.A. Timmer de la facultad aeroespacial de la Universidad de Delft que nos ha proporcionado las caractersticas de los perfiles DU XX. El NACA se ha obtenido de la base de datos de la Universidad de Illinois. Con estos datos y la tabla anterior obtenida en la referencia [5], se ha diseado la pala del aerogenerador, que salvo pequeas diferencias ser prcticamente igual a la REPOWER 5MW.

Figura 3.12. Perfiles aerodinmicos de la pala de 5 MW. [E.p]




Figura 3.13. Distribucin de perfiles en la pala. [E.p]

Figura 3.14. Pala a escala real. [E.p]

3.7.2 Tren de potencia.

La caja multiplicadora es tres etapas con dos acoplamientos planetarios helicoidales y uno paralelo.

La relacin de transmisin es 1:97, necesaria pasar de la rotacin las palas de 6,9-12,1 rpm a 670-1170 rpm

El generador elctrico es una mquina asncrona doblemente alimentada y de 6 polos que es la de ms extendida aplicacin. Son mquinas con velocidad variable (670 a 1170 rpm).

Tensin del rotor 660 V. Tensin estator : 950V

Dispone un convertidor electrnico conectado al rotor mediante anillos rozantes, la velocidad del generador se puede variar para adaptarse al viento incidente en un rango entre 15% respecto a la nominal de 1000 r.p.m. (670-1170).

El generador se encuentra encapsulado en una carcasa con grado de proteccin IP54 y la refrigeracin se lleva a cabo mediante corriente de aire y un intercambiador de calor aire/aire con el exterior,




evitndose as la entrada del aire exterior que favorecera la formacin de corrosin. El convertidor electrnico est constituido por transistores de potencia IGBTs y es refrigerado por agua y un intercambiador de calor agua/aire.

Figura 3.15. Interior de la gndola de REPOWER 5 MW. [Repower]

3.7.3 Torre y gndola.

La torre ser de acero de unas 300 toneladas.

Peso total de la gndola es de 401 ton.

La gndola es de 18 m de largo x 6 m de ancho x 6,5 m de alto. Tiene gran volumen en comparacin con otras gndolas.

Alberga el generador, la multiplicadora, el transformador, una gra de unas 6 ton, sistema contraincendios con doble sistema de CO y CO2 y al resto de subsistemas del aerogenerador.




Figura 3.16. Gndola y rotor Generador Repower 5MW.

3.7.4 Sistema de orientacin.

La mquina se orienta al viento gracias a cuatro motores elctricos con frenos de disco. La velocidad de orientacin es de 0,28/s.

Se ha modelizado un modelo 3D con el programa Rhinoceros@ de un aerogenerador con unas caractersticas similares a las mostradas para esta mquina de REPOWER que servir de referencia a lo largo del proyecto.

Cuaderno

bernardino couñago lorenzo

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