Antecedentes

El proyecto de investigación ET 4063, financiado por el Ministerio Federal de Investigación, Tecnología e Industria de Alemania [1], demostró con claridad que la energía eólica podía contribuir a nuestro suministro energético. La Figura 1 muestra la instalación piloto que se utilizó por aquel entonces.

Fig. 1: Instalación de pruebas, compuesta por una turbina de alta velocidad con tres álabes, un mástil y una construcción independiente para los equipos de ensayo y medición

Transductores de par de los ochenta

Fig. 2: Transductor de par T30FN entre el rotor y el generador
Fig. 3: Diagrama par-velocidad del viento

En el transcurso de este proyecto de investigación se utilizó el transductor de par T30FN, que medía pares nominales de 10 kNm.

La “F” de su denominación hacía referencia al método de transmisión de la señal: frecuencia modulada. Esto suponía una señal de medida sin contacto y un suministro de energía del rotor sin ninguna influencia de los factores de acoplamiento como, por ejemplo, las variaciones del entrehierro.

La “N” de la denominación designaba el sistema magnético integrado de medición de la velocidad de giro. La potencia mecánica que se suministraba al generador se determinaba a partir del par y la velocidad de giro.

La Figura 2 muestra el transductor de par instalado en la parte superior del mástil.

La Figura 3 ilustra la relación entre la velocidad del viento y el par [2]. El par aumentaba con la fuerza del viento, mientras que la velocidad de giro se mantenía inalterada. Resultado: se generaba una potencia mecánica adicional, Lo cual implicaba que el generador podía producir más energía eléctrica.

La energía eólica en la actualidad

Hoy en día, la energía eólica es una de las principales fuentes renovables y sigue siendo uno de los mercados del futuro, con un índice de crecimiento muy atractivo. De hecho, las necesidades energéticas mundiales han aumentado con rapidez y la demanda de fuentes alternativas se ha disparado, entre otras cosas como resultado del progresivo abandono de las centrales nucleares.

A principios de los noventa, la potencia nominal media de un aerogenerador era de 200 kW. En la actualidad, es de 2 MW. En otras palabras, la potencia nominal se ha multiplicado por 10 en menos de 15 años. Este incremento se debe sobre todo al mayor diámetro de los rotores. Un rotor con el doble de diámetro multiplica por cuatro la superficie efectiva.

Magnitudes mecánicas de los aerogeneradores

La potencia de un cuerpo giratorio se obtiene multiplicando el par por la velocidad angular.

P = Potencia en Nm/s (1 Nm/s = 1 W = 0,00136 caballos de vapor métricos)
M = Par en Nm
ω = Velocidad angular en s-1
N = Velocidad de giro en rpm

La transformación y algunos otros pasos ofrecen la relación para el par, la magnitud que debe medirse.

El par calculado no debe en ningún caso utilizarse directamente como base para la selección de la brida medidora, ya que no tiene en cuenta influencias como, por ejemplo, el comportamiento de arranque o las vibraciones. En [3] se proporciona información general sobre la medición de par.

La multiplicadora

Fig. 4: Brida medidora T10FM en un banco de pruebas de Rexroth(Werksbild Bosch Rexroth/Witten)

En los aerogeneradores existe un "conflicto de intereses" entre la velocidad de impulsión del rotor, limitada, por ejemplo, por la velocidad de pitch, y la velocidad de giro del generador. Con dos pares de polos y para una frecuencia de red de 50 Hz, se necesita una velocidad de giro de 1500 rpm. [4].

La solución consiste en utilizar una multiplicadora. Las multiplicadoras convierten la velocidad de giro y el par, y transmiten una potencia más alta. En un aerogenerador multimegavatio moderno [5], la multiplicadora se encarga de convertir la baja velocidad de giro del rotor (aproximadamente 14 rpm) en una elevada velocidad de giro del eje del generador: aproximadamente 1400-1650 rpm. Esta conversión implica una reducción del elevado par del rotor, en función de la relación de transmisión. La Figura 4 muestra una brida medidora tipo T10FM* de HBM con un par nominal de 40 kNm, empleada en el lado de entrada del generador.

Las multiplicadoras de los aerogeneradores pesan varias toneladas, y en muchos casos presentan un diseño compacto que combina engranajes planetarios y coronas. A pesar de que en la actualidad se debate la posibilidad de fabricar turbinas sin multiplicadora, el par generado por los álabes del rotor siempre tendrá que ser muy elevado para generar una potencia eléctrica suficiente.

* HBM ya no comercializa la brida medidora T10FM. Su sucesora es el modelo digital T40FM.

Par

El par que es preciso medir oscila en general entre kilonewtons (kNm) y meganewtons (MNm). Lo ilustramos con este ejemplo:

Generador:    P=2 MW
Multiplicadora:    1:100

Una potencia del generador de 2 MW y una velocidad de giro de 1500 rpm da los valores siguientes:

(1)     MD=12.74 kNm / n=1500 rpm

(2)     MD=1.3 kNm / n=15 rpm

Se está debatiendo la posibilidad de aumentar el tamaño de los generadores y reducir su velocidad de giro. No obstante, los transductores de par también alcanzarán sus límites. La Figura 5 muestra la aplicación de un transductor de 1,5 MN  y una propuesta de diseño para pares nominales más elevados.

Fig. 5: Aplicación de un transductor de 1,5 MN y propuesta de diseño

Sin embargo, no se puede garantizar la trazabilidad de una calibración de este enorme transductor de par. El Instituto Nacional de Metrología alemán (PTB) de Brunswick alberga el que, en la actualidad, es el mayor equipo de calibración de par del mundo. Permite calibrar pares de equipos de ensayo de hasta 1.1 MN con una incertidumbre de medida del 0,1% [6]. La oferta de calibración de par actual de HBM aparece en la Figura 6.

Fig. 6: Oferta de calibración de par de HBM

Conclusiones

Este artículo muestra claramente la importancia pasada y presente de la medición de par en los aerogeneradores. Dado que no se puede generar energía sin giro, tampoco se puede generar sin velocidad angular ni par.

Referencias

[1]    Herbert Lauer: Die Windkraft meßtechnisch erfaßt, Markt&Technik No. 44, 30 de octubre de 1981

[2]    MESSTECHNISCHE BRIEFE, MTB 17 (1981) Edición 2,  publicado por Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, 64293 Darmstadt

[3]    Rainer Schicker, Georg Wegener: Measuring Torque Correctly, ISBN 3-00-008945-4
    Publicado por Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, Darmstadt

[4]    http://www.energiewelten.de/

[5]    Christian Scheer, Rainer Schicker: Energie wird knapp. Getriebe und moderne Drehmomentmesstechnik tragen zur Energieerzeugung aus Windenergie bei, Windkraftkonstruktion, http://www.windkraftkonstruktion.vogel.de/automation/articles/327594/

[6]    http://www.ptb.de/cms/index.php?id=2447

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