ES2312280B1 - Configuracion y metodo de m0ntaje de los equipos electricos de un aerogenerador. - Google Patents
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Abstract
Configuración y método de montaje de los equipos
eléctricos de un aerogenerador.
Configuración de los equipos eléctricos de un
aerogenerador, del tipo de aerogeneradores de velocidad variable de
rotor y que está montado sobre una torre de forma substancialmente
troncocónica tubular, basada en un generador eléctrico de rotor
bobinado, aplicándose las corrientes rotóricas adecuadas mediante un
convertidor de potencia, o bien en un generador eléctrico asíncrono
de jaula de ardilla o síncrono de rotor bobinado o de imanes
permanentes, estando el convertidor dimensionado para convertir
toda la potencia generada, de forma que en el interior de la torre
(1) y, al menos, a dos tercios de su altura se configuran y montan
los equipos eléctricos constituidos por un convertidor (18), un
transformador (21) que convierte la potencia eléctrica procedente
del convertidor (18), bajando toda la potencia eléctrica generada
desde esa posición a tierra en media o alta tensión (tensión de
línea superior a 1000 V).
Description
Configuración y método de montaje de los equipos
eléctricos de un aerogenerador.
La siguiente invención, según se expresa en el
enunciado de la presente memoria descriptiva, se refiere a un
sistema de control para un aerogenerador, siendo del tipo de
aerogeneradores de velocidad variable y cuya torre se constituye por
una serie de elementos apilados tronco cónicos huecos que en su
parte superior incorporan la góndola o nacelle, teniendo por objeto
montar los equipos eléctricos a una altura de, al menos, dos tercios
de la altura de la torre, con lo cual:
- \bullet
- en el caso de los aerogeneradores doblemente alimentados la longitud de los cables de rotor se reduce considerablemente, disminuyendo su coste, las pérdidas de energía en los cables y los fenómenos de emisión de campos electromagnéticos y de reflexión en los cables;
- \bullet
- en el caso de los aerogeneradores de conversión total podemos apuntar idénticas ventajas, y;
- \bullet
- la góndola o nacelle no debe sobredimensionarse, facilitando su transporte, reduciendo su coste y evitando problemas de refrigeración de los equipos eléctricos.
En la presente memoria se describe una
configuración y método de montaje de los equipos eléctricos de un
aerogenerador, siendo del tipo en los que el rotor gira a velocidad
variable, presentando la torre una forma substancialmente
tubular.
Dicha configuración es valida tanto para
generadores de inducción de rotor bobinado doblemente alimentados
como para aquellos asíncronos de jaula de ardilla o síncronos, en
los que se dispone de un equipo de potencia que convierte toda la
energía generada (llamados por eso de "conversión total").
En primer lugar podemos indicar que,
convencionalmente, se han utilizado dos estrategias distintas a la
hora de configurar la disposición de los equipos eléctricos en un
aerogenerador.
Así, una primera estrategia se ha basado en
colocar el armario de control, el convertidor de potencia, las
celdas de media tensión y el transformador o transformadores en una
o varias plataformas en la base de la torre.
Esta solución tiene la ventaja de la
accesibilidad de dichos componentes, facilitando las labores de
mantenimiento, así como permitiendo disponer de espacio
suficiente.
En el caso de los aerogeneradores doblemente
alimentados, dicha solución tiene varios inconvenientes:
- -
- Los cables de rotor tienen la longitud de la altura de la torre, lo que supone un alto coste, además de empeorar el rendimiento global del sistema debido a las pérdidas en dichos cables.
- -
- Los cables de rotor conducen la corriente generada por el convertidor, de gran contenido armónico, emitiendo por ello importantes campos electromagnéticos.
- -
- Dada la gran longitud en los cables de rotor y su mencionado contenido armónico se pueden producir fenómenos de reflexión en los cables que tienen como última consecuencia sobretensiones en bornas del rotor del generador.
- -
- En entorno marino dichos componentes eléctricos están cerca del nivel del mar, donde el ambiente es más agresivo, lo que requiere mayor índice de protección en los equipos y complica los sistemas de refrigeración.
Los mismos inconvenientes tienen los cables de
estator en los aerogeneradores de tipo conversión total.
Esta configuración es ampliamente estudiada en
el documento de NREL "Low Wind Speed Turbina Project Phase II:
The Application of Médium-Voltaje Electrical
Apparatus to the Class of Variable Speed
Multi-Megawatt Low Wind Speed Turbiness" Erdman
et al. 2004.
Una segunda estrategia ha sido instalar todos
los citados componentes en la nacelle del aerogenerador. Esto
supone solventar los problemas antes mencionados, pero también
tiene ciertas desventajas como:
- -
- Exige diseñar una nacelle más grande para albergar todos los equipos, que de cualquier manera se disponen en un espacio limitado, lo que complica las labores de mantenimiento.
- -
- Dificulta la sustitución del convertidor o el transformador, necesitándose la intervención de una grúa de gran altura o disponer de medios en la nacelle capaces de izar pesos importantes.
- -
- Incrementa el peso de la nacelle, lo que unido a su mayor tamaño dificulta su transporte por carretera hasta el parque eólico.
- -
- La refrigeración de todos los equipos en un espacio tan reducido es complicada.
Asimismo, podemos considerar la solicitud de
patente US2005230980A1, en la cual se dispone un transformador
elevador en lo alto de un poste que soporta tanto el aerogenerador
como cables de alta tensión. Según dicho documento, la energía
generada se evacua directamente a los cables de alta tensión sin
necesidad de bajar dicha energía al nivel de suelo.
Por otro lado la solicitud de patente
EP1788242A1 describe la posibilidad de distribuir los equipos
eléctricos en varias plataformas, pero no describe una forma
ventajosa de distribuir los equipos para evitar los problemas antes
descritos.
Con objeto de solventar estos inconvenientes en
la presente memoria se describe una configuración y método de
montaje de los equipos eléctricos de un aerogenerador, siendo del
tipo de aerogeneradores de velocidad variable de rotor y que está
montado sobre una torre, constituida por una serie de elementos
apilados, de forma substancialmente tronco cónica tubular, que en
su parte superior incorporan la góndola o nacelle, y estando basada
en:
- -
- un generador eléctrico de rotor bobinado, aplicándose las corrientes rotóricas adecuadas mediante un convertidor de potencia
o bien en:
- -
- un generador eléctrico asíncrono de jaula de ardilla o síncrono de rotor bobinado o de imanes permanentes, estando el convertidor dimensionado para convertir toda la potencia generada,
de forma que en el interior de la torre y, al
menos, a dos tercios de su altura se configuran y montan los
equipos eléctricos constituidos por:
- -
- el convertidor, y;
- -
- el transformador que convierte la potencia eléctrica procedente del convertidor,
bajando toda la potencia eléctrica
generada desde esa posición a tierra en media o alta tensión
(tensión de línea superior a 1000
V).
\vskip1.000000\baselineskip
Así, en una realización preferente, el estator
del generador genera a media o alta tensión (tensión de línea
superior a 1000 V).
De esta forma, en el caso de los aerogeneradores
doblemente alimentados, la longitud de los cables de rotor se
reducen de manera importante (un 75% en una torre de cuatro
elementos), reduciendo su coste, las pérdidas de energía en los
cables y los fenómenos de emisión de campos electromagnéticos y los
de reflexiones en los cables.
Además, dichos cables de rotor se alejan del
nivel de tierra más de 60 metros, lo que reduce de manera
importante los campos electromagnéticos en dicho nivel de
tierra.
El ambiente marino, por su combinación de
humedad y salinidad, es tanto más agresivo para los componentes
cuando más cerca del nivel del mar se dispongan. Por ese motivo para
aplicaciones de parques marinos, al alejar los mencionados equipos
del nivel del mar, se facilita su refrigeración.
Las mismas ventajas tienen los cables de estator
en el caso de los aerogeneradores de conversión total cuando se
aplica la presente invención.
Además, no es necesario diseñar una nacelle
capaz de albergar más equipos, y por lo tanto dicha nacelle será
más fácil de transportar y se evitarán los problemas de
refrigeración que conlleva el disponer todos los equipos eléctricos
en dicha nacelle.
Por otra parte, el armario de control que
contiene la unidad central de proceso del controlador del
aerogenerador y las celdas de media tensión se configuran e instalan
en la base de la torre, en una realización preferente, ya que, las
celdas podrían estar en el tercio superior.
\newpage
Los equipos eléctricos situados en el interior
del tercio superior de la torre se configuran y montan sobre una o
varias plataformas.
En una ejecución preferente, los equipos
eléctricos situados en el interior del tercio superior de la torre
se configuran e instalan sobre una o varias plataformas montadas en
la parte superior del penúltimo elemento de la torre.
Además, en la presente invención se reivindica
un método de montaje de los equipos eléctricos de un aerogenerador,
siendo del tipo de aerogeneradores de velocidad variable de rotor y
que está montado sobre una torre de forma substancialmente tronco
cónica tubular, basada en:
- -
- un generador eléctrico de rotor bobinado, aplicándose las corrientes rotóricas adecuadas mediante un convertidor de potencia
o bien en:
- -
- un generador eléctrico asíncrono de jaula de ardilla o síncrono de rotor bobinado o de imanes permanentes, estando el convertidor dimensionado para convertir toda la potencia generada,
de forma que los equipos eléctricos
se instalan en una plataforma o varias plataformas previamente a la
instalación del último elemento de la
torre.
\vskip1.000000\baselineskip
Dicha plataforma en una realización preferente
esta situada a una distancia menor a dos metros por debajo del
borde superior de dicho tramo de torre, de modo que es utilizada
por los operarios para realizar las operaciones de ensamblaje del
último tramo de torre. En el caso de utilizarse varias plataformas,
sería la más elevada la que ocuparía la posición descrita.
Así, los medios para la manipulación de los
equipos eléctricos, por el interior de la torre, se definen por una
barra diametral montada en el penúltimo elemento de la torre con un
polipasto de elevación/descenso, facilitando las operaciones de
reparación y/o cambio de los componentes.
Para complementar la descripción que
seguidamente se va a realizar, y con objeto de ayudar a una mejor
comprensión de las características de la invención, se acompaña a
la presente memoria descriptiva, de un juego de planos, en cuyas
figuras de forma ilustrativa y no limitativa, se representan los
detalles más característicos de la invención.
Figura 1. Muestra una vista de un aerogenerador
pudiendo observar como la torre se constituye por una serie de
elementos de forma general tronco cónicos huecos sobre los que se
monta la góndola o nacelle.
Figura 2. Muestra una vista de una configuración
eléctrica convencional de un aerogenerador doblemente alimentado
con los equipos eléctricos instalados en la base de la torre.
Figura 3. Muestra una vista de una configuración
eléctrica convencional de un aerogenerador doblemente alimentado
con los equipos eléctricos instalados en la nacelle.
Figura 4. Muestra una vista de una configuración
eléctrica de aerogenerador doblemente alimentado según el objeto de
la invención.
Figura 5. Muestra una vista de unos medios de
elevación/descenso de los componentes eléctricos en el interior de
la torre.
Figura 6. Muestra una vista de una configuración
eléctrica convencional de un aerogenerador tipo "conversión
total" con los equipos eléctricos instalados en la base de la
torre.
Figura 7. Muestra una vista de una configuración
eléctrica convencional de un aerogenerador tipo "conversión
total" con los equipos eléctricos instalados en la góndola o
nacelle.
Figura 8. Muestra una vista de una configuración
eléctrica de aerogenerador tipo "conversión total" según el
objeto de la invención.
A la vista de las comentadas figuras y de
acuerdo con la numeración adoptada podemos observar un aerogenerador
1 de tipo convencional cuya torre, de forma substancialmente tronco
cónica hueca, se constituye por varios elementos
1a-1e, montándose sobre el último elemento 1e de la
torre la góndola o nacelle 2, que contiene el generador eléctrico y
al que se fija el rotor 3.
Convencionalmente, los equipos eléctricos se
montan en la nacelle 2 (nivel A) o en la base de la torre (nivel
B), de manera que en la presente invención se propone el montaje de
los equipos eléctricos, al menos, a dos tercios de la altura de la
torre (nivel C), de manera que en una realización preferente dicho
nivel C estaría en la parte superior del penúltimo elemento 1d de
la torre 1.
Haciendo referencia a los diseños adjuntos
podemos observar como en la figura 2 se representa, la
configuración eléctrica de un aerogenerador doblemente alimentado
en el que se disponen los equipos eléctricos en la base de la torre
(nivel B).
En dicha figura 2 se representa el caso
particular en el que el estator genera directamente a media
tensión, siendo la tensión de línea superior a 1 kV, por ejemplo 12
kV.
Así en dicha base de torre se sitúa el
convertidor 8, el transformador 9 que convierte la energía
procedente del convertidor, el contactor para el estator de la
máquina 6 y el armario de control 7 que contiene la unidad central
de proceso del controlador.
Cuando la red de parque es de una tensión
superior a la del estator del generador, es necesario disponer un
transformador elevador 8 y medios de desconexión 9. Los componentes
eléctricos que alberga la nacelle (nivel A) en esta configuración
son el generador 10 y un armario de control 11. La tensión típica
de funcionamiento de los convertidores es de 690 V, por lo que la
intensidad de rotor para máquinas de más de 3 Mw supera los 1000
A., lo que conlleva que los cables 12 de rotor deban de ser de gran
sección y tendrán una longitud, al menos, igual a la de la torre
(típicamente mayor de 80 metros).
En la figura 3 se representa, la configuración
eléctrica convencional de un aerogenerador doblemente alimentado en
el que se disponen los equipos en la nacelle 2 (nivel A).
Según esta configuración todos los equipos en
dicha nacelle 2, a excepción del transformador elevador 8 y sus
medios de conexión 9 si los hubiera.
En esta solución los cables de rotor 12 son muy
cortos, pero se requiere una nacelle 2 muy grande y pesada, de
manera que el mantenimiento de los equipos es más complicado y la
refrigeración de todos los equipos eléctricos dispuestos en un
espacio tan reducido es también compleja.
En algunas configuraciones en las que el estator
del generador genera a baja tensión (tensión de línea inferior a 1
kV), el transformador 5 situado en la nacelle 2 eleva la tensión de
toda la potencia generada.
En la figura 4 de los diseños se representa la
configuración eléctrica, según la invención, para un generador
doblemente alimentado, concretamente uno en que el estator del
generador genera a media o alta tensión.
Así, el convertidor 4 se dispone en un nivel C
en el interior del tercio superior de la torre 1 y lo mismo se hace
con el transformador 5. Se puede observar que con dicha disposición
los cables 12 de rotor son más cortos que en la realización
convencional reflejada en la figura 2, y, además, sin aumentar el
tamaño de la nacelle 2 tal como se debe realizar según la
realización convencional reflejada en la figura 3.
En una realización preferente dichos equipos
eléctricos se colocan en una o varias plataformas en la parte alta
de penúltimo elemento 1d de la torre 4. Según dicha realización
preferente, los equipos eléctricos se izarán antes de la colocación
del último elemento 1e de la torre 1. Según la misma realización
preferente, la unidad central de proceso del controlador 7 y el
contactor del estator de la máquina 6 se mantienen a nivel de suelo
(nivel B).
Por lo tanto según está configuración propuesta
toda la energía eléctrica generada baja desde el nivel C a la base
de la torre a media o alta tensión, requiriéndose cables de menor
sección y más baratos y siendo menores las pérdidas en los
cables.
Para facilitar el mantenimiento se dispondrá de
medios para la elevación/descenso de los equipos eléctricos por el
interior de la torre, tal como se muestra en la figura 5, de manera
que dichos medios se definen por una viga 13 fijada en las paredes
de la torre, sobre la que desliza un polipasto 14. Este polipasto
puede estar instalado de manera permanente o subirse en el elevador
y fijarse a la viga 13 cuando sea necesario realizar una operación
de mantenimiento.
En la misma figura 5 se representa el
convertidor 4 y el tranformador 5 sobre una plataforma 15 apoyada
en unos soportes 16 a su vez fijados a las paredes de la torre. Una
parte 17 de dicha plataforma 15 debe ser desplazable o abatible con
el objeto de crear una abertura en la plataforma por la que
descolgar por el interior de la torre los elementos a
sustituir.
Tal como se ha descrito anteriormente, el
ambiente marino, por su combinación de humedad y salinidad, es
tanto más agresivo para los componentes cuando más cerca del nivel
del mar se dispongan. En una realización preferente la plataforma
sobre la que se sustentan los equipos es hermética, de modo que se
impide el acceso de aire desde la parte inferior de la torre,
independizandose el ambiente de las partes superior e inferior a
dicha plataforma. De este modo es posible una configuración en la
que el aire que acceda a la sección superior de la torre ha sido
previamente tratado para eliminar su humedad y salinidad,
pudiéndose disponerse dichos equipos para tratar el aire tanto en
esa parte de la torre como en la nacelle.
Los equipos 4 y 5 se izan y colocan en la
plataforma 15 antes de la colocación del último elemento 1e de la
torre 1. La plataforma 15 está dispuesta de manera que es utilizada
también para facilitar las operaciones de ensamblaje del último
tramo de torre.
En la figura 6 se presenta la configuración
eléctrica de un aerogenerador del tipo de los que incluyen un
equipo de potencia 18 conectado al estator del generador 19 de un
tamaño suficiente para convertir toda la potencia generada
(conversión total).
Dicho generador 19 puede ser tanto del tipo
asíncrono de jaula de ardilla como de tipo síncrono. El convertidor
limita la tensión del estator, siendo esta típicamente de 690 V, y
para determinadas topologías de convertidor pudiendo ser de hasta 4
kV. Se dispone también un transformador elevador 21 y medios de
conexión a la red 22.
En este caso los cables 20 de estator conducirán
elevadas corrientes, por lo que tendrán gran sección y una longitud
igual a la altura de la torre, con unas pérdidas por consiguiente
elevadas.
Dichas corrientes de estator, controladas por el
convertidor, tendrán alto componente armónico, con los
correspondientes fenómenos asociados de emisiones electromagnéticas
y reflexiones.
En la figura 7 se presenta la configuración
eléctrica de un aerogenerador del tipo conversión total con los
equipos en la nacelle 2. En esta disposición tanto el convertidor
18, como el transformador elevador 21 se disponen en la nacelle
2.
De esta manera se reduce la longitud de los
cables 20 conductores del estator, pero con las desventajas de
necesitarse una nacelle 2 mayor, dificultar la refrigeración y
hacer más difícil el mantenimiento de los equipos.
En la figura 8 se representa la configuración
eléctrica según la invención para un aerogenerador de conversión
total. El convertidor 18 se dispone en un nivel C en el interior el
tercio superior de la torre, así como el transformador 21.
Se puede observar que con dicha disposición los
cables 20 de estator son más cortos que en la ejecución
convencional reflejada en la figura 6, sin aumentar el tamaño de la
nacelle 2, tal como se debe de hacer en la ejecución convencional
reflejada en la figura 7.
En una realización preferente dichos equipos se
colocan en una o varias plataformas en la parte alta de penúltimo
elemento 1d de la torre 1, de manera que, según dicha realización
preferente, los equipos se izarán antes de la colocación del último
elemento 1e de la torre 1. Según la misma realización preferente,
la unidad central de proceso del controlador 7 se dispone a nivel
de suelo (nivel B).
Por lo tanto según está disposición toda la
energía eléctrica generada baja desde el nivel C a la base de la
torre a media o alta tensión, requiriéndose cables de menor sección
y más baratos, y siendo menores las pérdidas en los cables.
Claims (9)
1. Configuración de los equipos eléctricos de un
aerogenerador, siendo del tipo de aerogeneradores de velocidad
variable de rotor y que está montado sobre una torre de forma
substancialmente tronco cónica tubular, basada en:
- -
- un generador eléctrico de rotor bobinado, aplicándose las corrientes rotóricas adecuadas mediante un convertidor de potencia
o bien en:
- -
- un generador eléctrico asíncrono de jaula de ardilla o síncrono de rotor bobinado o de imanes permanentes, estando el convertidor dimensionado para convertir toda la potencia generada,
caracterizada porque en el interior de la
torre (1) y, al menos, a dos tercios de su altura se configuran y
montan los equipos eléctricos constituidos por:
- -
- un convertidor (18), y;
- -
- un transformador (21) que convierte la potencia eléctrica procedente del convertidor (18),
bajando toda la potencia eléctrica
generada desde esa posición a tierra en media o alta tensión
(tensión de línea superior a 1000
V).
2. Configuración de los equipos eléctricos de un
aerogenerador, según reivindicación 1ª, caracterizada porque
el estator del generador genera a media o alta tensión (tensión de
línea superior a 1000 V).
3. Configuración de los equipos eléctricos de un
aerogenerador, según reivindicación 1ª, caracterizada porque
el armario de control (7) que contiene la unidad central de proceso
del controlador del aerogenerador y las celdas de media tensión se
configuran e instalan en la base de la torre.
4. Configuración de los equipos eléctricos de un
aerogenerador, según reivindicaciones 1ª y 4ª, caracterizada
porque los equipos eléctricos situados en el interior del tercio
superior de la torre (1) se configuran e instalan sobre una o
varias plataformas (15) montadas en la parte superior del penúltimo
elemento (1d) de la torre.
5. Configuración de los equipos eléctricos de un
aerogenerador, según reivindicaciones 1ª y 4ª, caracterizada
porque los equipos eléctricos situados en el interior del tercio
superior de la torre (1) se configuran e instalan sobre una o
varias plataformas (15), cerrando herméticamente la plataforma
inferior impidiendo el acceso de aire desde la parte inferior de la
torre e independizando el ambiente de las partes de la torre
superior e inferior a dicha plataforma.
6. Método de montaje de los equipos eléctricos
de un aerogenerador, siendo del tipo de aerogeneradores de
velocidad variable de rotor y que está montado sobre una torre de
forma substancialmente tronco cónica tubular, basada en:
- -
- un generador eléctrico de rotor bobinado, aplicándose las corrientes rotóricas adecuadas mediante un convertidor de potencia
o bien en:
- -
- un generador eléctrico asíncrono de jaula de ardilla o síncrono de rotor bobinado o de imanes permanentes, estando el convertidor dimensionado para convertir toda la potencia generada,
caracterizado porque los equipos
eléctricos se instalan en una plataforma o varias plataformas (15)
previamente a la instalación del último elemento (1e) de la
torre.
7. Método de montaje de los equipos eléctricos
de un aerogenerador, según reivindicación 6ª, caracterizado
porque los equipos eléctricos instalados en la plataforma o
plataformas (15) del penúltimo elemento (1d) de la torre, estando
la plataforma más elevada a una distancia inferior a dos metros del
borde superior de dicho tramo.
8. Método de montaje de los equipos eléctricos
de un aerogenerador, según reivindicación 6ª, caracterizado
porque en el interior de la torre (1) incorpora unos medios para la
manipulación de los equipos eléctricos.
9. Método de montaje de los equipos eléctricos
de un aerogenerador, según reivindicaciones 1ª y 7ª,
caracterizado porque los medios para la manipulación de los
equipos eléctricos, por el interior de la torre (1), se definen por
una barra (13) diametral montada en el penúltimo elemento (1d) de
la torre con un polipasto (14) de elevación/descenso.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200701934A ES2312280B1 (es) | 2007-07-10 | 2007-07-10 | Configuracion y metodo de m0ntaje de los equipos electricos de un aerogenerador. |
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