Basico Torres Eolicas

Tecnología civil y desarrollo eólico

CERTIFICADA EN EL DISEÑO Y CÁLCULO DE PROYECTOS DE

ESTRUCTURAS DE OBRA CIVIL Y EDIFICACIÓN

DATOS DE CONTACTO. Valenzuela 8, Madrid, 28014. Telf: 91 319 12 00 Fax: 91 319 12 00 - www.calter.es

Juan Carlos ArroyoCarlos Ríos

1. Elección del emplazamiento

�� Producción de energíaProducción de energía

�� Velocidad del vientoVelocidad del viento

�� Energía anual producida por el aerogeneradorEnergía anual producida por el aerogenerador

2. Torres y cimentaciones para aerogeneradores

�� Torre metálicaTorre metálica

4. Torres metálicas vs torres híbridas

�� Torres metálicasTorres metálicas

�� Torres híbridasTorres híbridas

�� Análisis comparativoAnálisis comparativo

5. Experiencia de Calter


�� Torre híbrida Torre híbrida hormigónhormigón--acero / FULL concreteacero / FULL concrete

3. Diseño ingenieril: Particularidades

�� Dependencia de los fabricantes de la turbinaDependencia de los fabricantes de la turbina

�� NormativaNormativa

�� CertificaciónCertificación

�� Particularidades en torres de hormigónParticularidades en torres de hormigón

�� Particularidades en torres de aceroParticularidades en torres de acero

�� Particularidades en cimentacionesParticularidades en cimentaciones

�� Torres híbridasTorres híbridas

�� CimentacionesCimentaciones

�� ProyectosProyectos


1. Elección del emplazamiento



1. Elección del emplazamiento (1)

� Producción de energíaProducción de energía: : (1)(1)

� Teoría simplificada: Disco actuador

• Fórmula fundamental : 3

2

1vAcP p ⋅⋅⋅⋅= ρ


- ρ = Densidad del aire: = 1,25kg/m3 a nivel del mar

- A = nΦ2/4

- Φ = Diámetro del rotor � 2 MW � Φ ≈ 80,0m - 90,0m

3 MW � Φ ≈ 100,0m - 110,0m

- v = Velocidad del viento aguas arriba � Velocidad media anual vave

- cp = Rendimiento � Límite de Betz � cp ≤ 16/27 = 0.59

(Turbinas actuales: cp ≈ 0.40)

2vAcP ⋅⋅⋅⋅= ρ



� Producción de energíaProducción de energía: : (2)(2)

� Concluimos que:

• P depende:

- LinealmenteLinealmente: de ρρ � Mejor a nivel del marMejor a nivel del mar


- CuadráticamenteCuadráticamente: de ΦΦ � A mayor A mayor ΦΦ mayor potencia mayor potencia �� pero pero aumentan cargas sobre el aerogeneradoraumentan cargas sobre el aerogenerador

- CúbicamenteCúbicamente: de vv � El factor más importante El factor más importante

* * De 8 a 10m/s De 8 a 10m/s �� incremento de potencia 60%incremento de potencia 60%



� Velocidad del vientoVelocidad del viento: : (1)(1)

� Velocidad media: aumenta con la altura � ¡Mayor potencial energéticoMayor potencial energético!

Wind speed profile

100

120

140

160


• Según Germanischer Lloyd: Guideline for the Certification of Wind Turbines

20,0;)( ≈

⋅= α

α

hubhub z

zvzv

0

20

40

60

80

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00V(z)

[m/s]

z

[m]




� Distribución de velocidades a lo largo del año: Distribución de Weibull

(Fuente: “Sistemas eólicos de producción de energía”, Editorial Rueda)


20,0;)( ≈

⋅= α

α

hubhub z

zvzv




� Turbulencias:

• Turbulencias: variaciones de velocidad del viento sobre la media �

- No aprovechables energéticamente

- Pueden alcanzar valores altos � aumento significativo de solicitaciones sobre el aerogenerador

• Capa superficial (hasta 100,0m)

tm vvtv ∆+=)(


� Grandes turbulencias

• Capa de Ekman (por encima de 100,0m)

� Reducción de turbulencias




� Por lo tanto:


A mayor alturaMás velocidad de viento

yMenores turbulencias

Mayor aprovechamiento energético



� Energía anual producida por el aerogeneradorEnergía anual producida por el aerogenerador: : (1)(1)

� Curva de potencia: Potencia vs. Velocidad del viento


- Varranque = Veloc. de arranque � El aerogenerador empieza a funcionar � Producción de potencia muy baja

- Vnominal = Veloc. nominal � El aerogenerador funciona a plena potencia � máxima producción de energía

- Vdesconexión = Veloc. de corte � Demasiada velocidad para un funcionamiento seguro �

- Pnominal = Potencia nominal del aerogenerador




� Energía total:

• Factor de capacidad:

� FC = Porcentaje de aprovechamiento de la potencia nominal de la turbina durante un año(Fuente: “Sistemas eólicos de producción de energía”, Editorial Rueda)

∫ ⋅⋅= dvdvdFvPE ave )(

8760)()(

⋅=

kWPn

kWhEFC

Zona de velocidades


Zona de velocidades de viento menores que la nominal

F (Distribución de Weibull)




� Pérdidas: •• ParquesParques: Estelas

- Interferencia entre torres próximas- Pérdida de producción- Mejor � menos torres pero de más

potenciaCambio en la curva de potencia. Necesitamos más velocidad de viento


• DisponibilidadDisponibilidad

• Rendimiento eléctricoRendimiento eléctrico

• Histéresis por viento altoHistéresis por viento alto: Mayor altura � menos turbulencia � menos paradas por histéresis

• Retardo en el tiempo de respuesta del control de guiñadaRetardo en el tiempo de respuesta del control de guiñada

• Distorsión y dispersión de la curva de la máquina por la turbulenciaDistorsión y dispersión de la curva de la máquina por la turbulencia

más velocidad de viento para mantener la producción




� Conclusión:

Mayor velocidad de viento


Mayor producción de energía

Aerogeneradores más potentes

Mayor velocidad de viento+

Mayor altura de buje

Torres híbridasHormigón - Acero


2. Torres y cimentaciones para aerogeneradores



2. Torres y cimentaciones para aerogeneradores (1)

� Torre metálicaTorre metálica: : Diseñada y manufacturada por los fabricantes de la turbina

� Diseño: Inestabilidad de chapas, fatiga de soldaduras, fatiga de tornillos.

� Ventajas: Sistematización de la producción. Ajuste de costes. Amplia experiencia en diseño, montaje y comp. en serie.

� Limitaciones:

• RigidezRigidez: Problemas para cumplir limitaciones de frecuencia (f0 ≥ 0.28 – 0.30 Hz) �

Terrenos poco competentes

Alturas de buje mayores de 90-100 m (Turbinas de 2 a 3 MW)


Alturas de buje mayores de 90-100 m (Turbinas de 2 a 3 MW)

• TransporteTransporte: Limitaciones de diámetro: Φmax ≤ 4,00-4,30m � Problemas en alturas mayores de 90-100m

• EspesoresEspesores: t ≤ 40mm � Espesores superiores a 50 mm � Encarecimiento del proceso de fabricación: Forma, soldaduras.

• Inspección y mantenimientoInspección y mantenimiento: Gran cantidad de uniones soldadas y atornilladas �inspecciones periódicas � técnicas caras: ultrasonidos …



� Torre híbrida hormigónTorre híbrida hormigón--aceroacero: : (1)(1)

� In situ o prefabricada

� Postesadas � Externo. Interno: Adherente y no adherente

� Diseño: Fatiga del hormigón, juntas, pretensado

� Ventajas (1):


• RigidezRigidez: Suficiente para garantizar limitaciones de frecuencias bajo todo tipo de condiciones geotécnicas y alturas

- in situ: no necesario

• TransporteTransporte: - prefabricado: División de los módulos No hay limitacionestroncocónicos en “tejas”

• Inspección y mantenimientoInspección y mantenimiento: no necesario si se garantiza un buen diseño en cuanto a durabilidadse refiere.

• Gama de resistenciasGama de resistencias: el estado límite último de fatiga puede ser controlado aumentando la resistencia característica del hormigón



� Torre híbrida hormigónTorre híbrida hormigón--aceroacero: : (2)(2)

� Ventajas: (2)

•• Bajo impacto ambientalBajo impacto ambiental: - 100% reciclable- baja producción de CO2- baja energía de fabricación- absorción de CO2 durante la vida útil.

•• DisponibilidadDisponibilidad

Buen comportamiento dinámicoBuen comportamiento dinámico


• Buen comportamiento dinámicoBuen comportamiento dinámico: supresión de vibraciones transitorias frecuentes en torres metálicas, bajo episodios de arranque, parada y orientación de la turbina

• Ampliación de período de vida útilAmpliación de período de vida útil: Actual: 20 años � previsiones de 40 y 60 años


3. Diseño ingenieril: Particularidades



3. Diseño ingenieril: Particularidades (1)

� Dependencia de los fabricantes de la turbinaDependencia de los fabricantes de la turbina:: proporcionan los esfuerzos de cálculo � Interacción y “feedback” puede ser complicado

� NormativaNormativa: Especializada � Germanische Iloyd, IEC 61400-1, DIBT, Eurocódigos, Model Code.

� CertificaciónCertificación: Cualquier elemento del aerogenerador, desde la turbina a la cimentación,puede ser objeto de certificación �

� Compañías certificadoras (GL, TÜV, etc) �

� Posibles dificultades para utilización de normativa española.


� Posibles dificultades para utilización de normativa española.



��Particularidades en torres de hormigónParticularidades en torres de hormigón: (1)

� Fatiga - No son adecuados cálculos simplificados

- Cargas de fatiga � Conteo (Rainflow) � Matrices de Markov

- Cálculo de fatiga en el hormigón: Daño acumulado (Palmgren-Miner)




� Particularidades en torres de hormigónParticularidades en torres de hormigón: (2)

�Uniones hormigón-acero - En cimentaciones y torres híbridas

- Cimentaciones: Virola con o sin pernos, tornillos pretensados

- Torre: unión pretensada (tornillos, barras, tendones)

- Fatiga puede ser condicionante � Modelos de elementos finitos




� Particularidades en torres de aceroParticularidades en torres de acero:

� En general: Diseñado y manufacturado por el fabricante de la turbina

� Inestabilidad de chapas

� Ovalización

� Rigidización en zonas de huecos: Puerta

� Fatiga de soldaduras: � Categoría del detalle a veces insuficiente � Modelos de elementos finitos � Tensiones geométricas (Punto caliente)


� Uniones atornilladas pretensadas

� Plan de inspección y mantenimiento � Coste importante (Soldaduras, tornillos)



� Particularidades en cimentacionesParticularidades en cimentaciones:

� Material: Hormigón armado

� Tipología: Superficial o profunda (pilotada)

� Diseño:

• RigidezRigidez: Limitaciones frecuencia propia del aerogenerador

• VuelcoVuelco: en superficiales, grandes momentos flectores en la base

(a) (b)


• Unión a la torreUnión a la torre:

- MetálicaMetálica: · con virola (a)

· con virola + pernos (b)

· Con virola + pernos (sin brida inferior) (c)

· Atornillada pretensada (d)

¡ Problemas de fatiga y ¡ Problemas de fatiga y fisuraciónfisuración !!

- HormigónHormigón: · Unión in situ: postesado + armadura pasiva

· prefabricada: postesado anclado en la cimentación

(c) (d)


4. Torres metálicas vs.

Torres híbridas / FULL concrete



¡!¡! Dificultades importantes Dificultades importantes para alturas entre 90,0 y para alturas entre 90,0 y 100,0m, prácticamente 100,0m, prácticamente

� Torres metálicasTorres metálicas:

� Ventajas: • Proporcionada por los fabricantes de la turbina: Experiencia en diseño y producción.

• Costes conocidos y competitivos hasta alturas de 80,0 a 90,0 m

� Desventajas:• Limitación de diámetros por transporte: Φmax ≤ 4,00 – 4,30 m• Encarecimiento para espesores tmax ≥ 50 mm

4. Torres metálicas vs. Torres híbridas (1)


100,0m, prácticamente 100,0m, prácticamente insalvables a partir de insalvables a partir de

100,0m100,0m

max

• Insuficiente rigidez para alturas significativas y/o terrenos poco competentes

• Precio del acero: variabilidad

• Distancia de fábrica a emplazamiento• Inspección y mantenimiento: - gran número de soldaduras y uniones atornilladas

- sobrespesores y protección para ambientes agresivos


� Torres híbridas / FULL concreteTorres híbridas / FULL concrete: (1)

� Ventajas: (1)•Sin limitaciones por transporte: - in situ: no necesario

- prefabricadas: descomposición en segmentos transportables



•Sin límites técnicos en cuanto a altura:

- Alturas de buje superiores a 100,0m- Turbinas potentes (≥ 3 MW)- Viento poco turbulento

• Repotenciación no necesaria: Aprovechamiento máximo de la energía teórica disponible en el emplazamiento (Alemania: >60%)

• Inspección y mantenimiento: Mínima

Amortización Amortización garantizada al final garantizada al final

de la vida útilde la vida útil

Mayor Mayor producción producción de energíade energía

Inversiónrentable


� Torres híbridasTorres híbridas / FULL concrete/ FULL concrete: (2)

� Ventajas: (2)•Parque eólico de 30 MW de potencia asignada:

- Opción 1: 15 regeneradores de 2 MW y altura en torno a 80-90m (Torre metálica)

* Ventajas � Posible menor inversión inicial* Inconvenientes � Pérdidas por estela

Aumento de turbulenciasMayor número de emplazamientosMayor impacto ambiental y visual



- Opción 2: 10 generadores de 3 MW y altura en torno a 100-120m (Torre híbrida)* Inconvenientes � Posible mayor inversión inicial

* Ventajas � Menores pérdidas por estelaMenores turbulenciasMenor número de emplazamientosMenor impacto ambiental y visual

• Bajo impacto ambiental. 100% reciclable

• Perspectivas teóricas: - Repotenciación sin cambio de torre

- Aumento de la vida útil: actual 20 años; perspectivas 40-60 años

� Desventajas:

• Mayor inversión inicial en ciertos casos


� Análisis comparativoAnálisis comparativo: (1)

Coste torre metálica vs. híbrida en función de la altura de buje (Fuente: Prefabricador de hormigón)





Inversión €/MWh/año vs. Altura de buje. Torre metálica. Turbina de 3 MW (Fuente: Elforsk report 10:48)





Inversión €/MWh/año vs. Altura de buje. Torre híbrida. Turbinas de 3 y 5 MW (Fuente: Elforsk report 10:48)





Inversión €/MWh/año vs. Altura de buje. Turbina de 3 MW. Diversas tipologías de torre(Fuente: Elforsk report 10:48)



NotaNota: Las torres metálicas, con junta de fricción o en celosía, son poco utilizadas al igual que las torres de madera



Inversión €/MWh/año vs. Altura de buje. Turbina de 5 MW. Diversas tipologías de torre (Fuente: Elforsk report 10:48)



NotaNota: Las torres metálicas, con junta de fricción o en celosía, son poco utilizadas


5. Experiencia de Calter



Desde el 2007 Calter ha estado relacionado con el diseño de torres para aerogeneradores:Desde el 2007 Calter ha estado relacionado con el diseño de torres para aerogeneradores:

� Torres híbridas hormigónTorres híbridas hormigón--aceroacero:� Proyecto completo parte de hormigón (in situ y prefabricada)

� Proyecto completo detalles unión torre hormigón con torre acero

� Estudios detalle zona metálica de transición (adaptador metálico)

� Asistencia técnica en obra (análisis monitorización torre hormigón)

5. Experiencia de Calter (1)


(Fotos de Hamina, Finlandia)



(Fotos de Hamina, Finlndia)


� Segment model: Geometry and mesh

� Total model: Geometry and mesh



� Deformed segment model: Detail of the gap

� Deformed total model: General view and detail of the gap

Desde el 2007 Calter ha estado relacionado con el diseño de torres para aerogeneradores:Desde el 2007 Calter ha estado relacionado con el diseño de torres para aerogeneradores:

� CimentacionesCimentaciones::� Tanto superficiales como profundas (pilotadas) para torre híbrida

� Tanto superficiales como profundas (pilotadas) para torre metálica

• Con virola (brida de fondo, brida+pernos conectadores, pernos conectadores)

• con barras o tornillos pretensados





En estos trabajos se han realizado: PrediseñosPrediseños, Estudios y Proyectos completos, Estudios y Proyectos completos para distintos:

� Fabricantes: - General Electric (GE)

- WinWind

- Alstom

- Mtorres

- Vestas

- Statoil (offshore)



� Potencias: entre 1,80 y 4,5 MW

� Alturas de buje: entre 80,0 y 140,0 m

� Destaca el proyecto completo en HaminaHamina (Finlandia)(Finlandia):

• 4 aerogeneradores de 3MW3MW y 100,0m100,0m de altura de buje. Torres de tipo híbridohíbrido con 46,80m 46,80m de hormigónde hormigón prefabricado y el resto de acero. Postesado exteriorPostesado exterior y uniónunión con barras barras pretensadas y tendones.pretensadas y tendones.



CERTIFICADA EN EL DISEÑO Y CÁLCULO DE PROYECTOS DE

ESTRUCTURAS DE OBRA CIVIL Y EDIFICACIÓN

¡Gracias!


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