La turbina eólica Gamma 60 , una turbina eólica de eje horizontal de dos palas de 1,5 MW con dirección al viento, fue instalada por Wind Energy Systems Taranto SpA (WEST) en Alta Nurra , Cerdeña, Italia, en abril de 1992. [1] Fundada sobre el trabajo original de investigación y desarrollo de la NASA y Hamilton Standard (en aquel entonces una división de United Technologies Corporation ), la turbina eólica Gamma 60 fue la primera turbina eólica de velocidad variable del mundo con una bisagra oscilante. [2] [3]
La turbina eólica Gamma 60 fue puesta en servicio para evaluar la viabilidad y el rendimiento de la regulación de potencia a través del control de guiñada, en lugar del control de paso de las palas estándar de la industria, incluida la velocidad variable de amplio rango en una turbina eólica de bisagra oscilante de dos palas. [4] El equipo del proyecto de turbina eólica WEST Gamma 60 incluyó a Hamilton Standard , ENEL , Aeritalia , Finmeccanica (ahora Leonardo ), ENEA (Italia) y Sulzer . [5]
Se fabricaron tres turbinas Gamma y una se erigió y probó con éxito entre 1992 y 1997 en la isla mediterránea de Cerdeña . [2] [5] Se planeó la comercialización del prototipo Gamma 60, incluida una inversión condicional para 10 turbinas Gamma por parte de una empresa de servicios públicos estadounidense, pero las disputas legales y las reclamaciones contractuales entre WEST y ENEL , la privatización de ENEL y la caída de los precios del petróleo en 1998 dieron como resultado la cancelación del programa. [4] [6] [7] [8] [9]
La tecnología de la turbina eólica Gamma 60 proviene del diseño flexible del sistema de turbina de dos palas de Glidden Doman , que es compatible con las fuerzas de la naturaleza en lugar de resistirse a ellas. [10] Doman, junto con el conocido ingeniero aeroespacial nacido en Alemania Kurt Hohenemser (socio y confidente del conocido diseñador alemán de aviones y helicópteros Anton Flettner ), sostuvo que un diseño de rotor de turbina eólica de dos palas flexible tipo helicóptero que sea compatible con las fuerzas de la naturaleza era más adecuado para producir electricidad que los rotores de turbina eólica de tres palas tipo avión estándar de la industria rígidos que, por diseño, solo pueden construirse para resistir las fuerzas de la naturaleza. [10] [11] [12] [13]
La robusta simplicidad del diseño de Gamma, que admite velocidades de rotación de turbina más altas, logra un par menor, menor fatiga, un tren de transmisión más ligero y una vida útil más larga debido a la tecnología de cubo oscilante. [1] [2] [14] La tecnología de cubo oscilante de Gamma 60 funciona en conjunto con un innovador sistema de control de potencia de guiñada que elimina los mecanismos de control de paso de las palas. [1] [2] El cubo oscilante de Gamma, que agrega un grado de libertad a la turbina, reduce drásticamente el par requerido para guiñar la góndola y reduce en gran medida las cargas en las palas, el tren de transmisión y la góndola. [1] [10] Gamma 60 fue diseñado para una alta salida de energía eólica , larga vida útil, bajas inversiones y costos de mantenimiento reducidos para satisfacer los requisitos de las empresas de servicios públicos de electricidad. [4]
La evolución de la turbina eólica Gamma 60 se remonta a la Segunda Guerra Mundial, cuando Sikorsky Aircraft (ahora propiedad de Lockheed Martin , pero entonces una división de United Technologies Corporation ) contrató al ingeniero estadounidense Glidden Doman para abordar los problemas estructurales y dinámicos del helicóptero, incluidas las fallas de las palas. [8] Igor Sikorsky desarrolló y voló el primer helicóptero exitoso en los Estados Unidos durante 1939. [8] Doman fundó una de las seis compañías de helicópteros originales de Estados Unidos (Doman Helicopters, Inc.) después de hacer importantes contribuciones al uso de helicópteros Sikorsky durante la Segunda Guerra Mundial. [5] El helicóptero inicial de Doman, el LZ-1A (un Sikorsky R-6 convertido a un rotor y sistema de control Doman) voló por primera vez en 1947. [5] El LZ-1A fue seguido en desarrollo por el LZ-4 en 1950. [5] [15] El logro más destacado de Doman Helicopters fue el helicóptero de ocho plazas Doman LZ-5 /YH-31, que recibió la certificación de la FAA el 30 de diciembre de 1955. [15] La característica única de este helicóptero era su cubo de rotor inclinable, sin bisagras pero con cardán, que reducía en gran medida la tensión y la vibración en las palas y en todo el helicóptero. [16]
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Los diseños de rotor de bisagra oscilante de dos palas se han utilizado ampliamente en helicópteros, más notablemente en numerosos modelos y muchos miles de helicópteros construidos por la compañía Bell Helicopter . [5] El Bell 47 , con su distintivo parabrisas de cabina con forma de "burbuja de jabón", se utilizó en la Guerra de Corea (por ejemplo, misiones MEDEVAC , en la serie M*A*S*H , y uno está en exhibición en el Museo de Arte Moderno de Nueva York) y el Bell 204 se utilizó ampliamente en la Guerra de Vietnam . [5]
El rotor de dos palas de Bell con una bisagra oscilante y el rotor de cuatro palas de Doman Helicopters con una bisagra cardánica ofrecían beneficios similares a la hora de reducir las tensiones en las palas del rotor y evitar que gran parte de la tensión se transmitiera al fuselaje. [5] Glidden Doman creía que el rotor de cuatro palas era más suave durante el vuelo hacia adelante de un helicóptero, pero como las turbinas eólicas no intervienen en el vuelo hacia adelante, el diseño de turbina eólica de dos palas ofrecía los mismos beneficios con mayor simplicidad. [5] Dos de los helicópteros de Doman, el Sikorsky R-6 convertido ( Doman LZ-1A ) y un Doman LZ-5 /YH-31, están en exhibición en el Museo del Aire de Nueva Inglaterra en Windsor Locks, Connecticut . [17]
Glidden Doman fue uno de los primeros en transferir el conocimiento de la tecnología de dinámica de rotores de helicópteros a las turbinas eólicas. [18] [19] En 1973, el embargo de petróleo de Oriente Medio aumentó el interés en el desarrollo de tecnología de energía eólica. [8] [19] De 1974 a 1981, el Centro de Investigación Glenn de la NASA , anteriormente el Centro de Investigación Lewis en Cleveland, Ohio, inició un programa de energía eólica en EE. UU. para el desarrollo de turbinas eólicas de eje horizontal a escala de servicios públicos. [8] [19]
Un contrato de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) de 1975 proporcionó a Glidden Doman fondos para explorar la dinámica estructural de las turbinas eólicas con el objetivo de eliminar la posibilidad de fallas en las palas de las turbinas eólicas debido a la turbulencia. [2] [4] [6] El MOD-2 de Boeing con el diseño flexible concebido por Doman, una turbina eólica de dos palas con una bisagra oscilante, se convirtió en un logro emblemático en este programa de energía eólica de 7 años administrado por la NASA para el Departamento de Energía de los EE. UU. y el Departamento del Interior de los EE. UU . [13] [4]
En 1978, Glidden Doman fue contratado por Hamilton Standard para diseñar turbinas eólicas. [2] [8] En 1982, Hamilton Standard instaló el WTS-4, una turbina eólica de dos palas de 4,2 MW en Medicine Bow, Wyoming. . [2] [8] El WTS-4, la primera turbina eólica de 4 MW instalada en cualquier parte del mundo, era una turbina eólica de eje horizontal a favor del viento con un buje oscilante, una torre de acero blando y control de potencia de paso. [2] [8] [15] [20] [21] Esta turbina fue fabricada para el Departamento del Interior de los EE. UU., Oficina de Recuperación, por la división Hamilton Standard de United Technologies como un precursor potencial de una serie de turbinas eólicas que se instalarían en Medicine Bow, Wyoming, en un plan a largo plazo para integrar la energía eólica con la energía hidroeléctrica. [22]
Después de una intensa competencia en la que participaron 5 consorcios europeos, el equipo de Hamilton Standard y el astillero sueco Karlskronavarvet (ahora Saab Kockums ) obtuvo un contrato para desarrollar el WTS-3, una turbina eólica de dos palas, de eje horizontal y a favor del viento, con una potencia nominal de 3 MW. [22] En 1983, Karlskronavarvet instaló el WTS-3 en la ciudad de Maglarp, Suecia. [23] [24] El WTS-3, que se desarrolló en cooperación con Hamilton Standard , con sede en EE. UU ., también contaba con una torre de acero blando que se ha convertido en el estándar para turbinas eólicas de varios MW. [22]
La contribución de Hamilton Standard a este programa fue el diseño general del sistema, el diseño mecánico del rotor y el sistema de cambio de paso, y la fabricación de las palas. [22] La WTS-3 (50 Hz) y la WTS-4 (60 Hz) eran esencialmente la misma turbina (es decir, palas de bobinado de filamento, sistema de mecanismo de paso mecánico-hidráulico, bisagra oscilante y torre blanda) con diferentes velocidades fijas. [2] [20] [24] [25] Esta turbina fue desmantelada en 1993 después de generar 37 GWh durante sus 11 años de operación, en ese momento, un récord mundial para turbinas eólicas. [23]
El otro ganador de la licitación fue Karlstads Mekaniska Werkstad KMW (también conocido como Kamewa ), que propuso una turbina de 75 m, de dos palas, con un engranaje biselado que permitía colocar el generador asincrónico dentro de la torre en lugar de en la góndola. [23] En 1984, el WTS-75, un aerogenerador de 2 MW, comenzó a operar en Näsudden en la costa sur de Gotland , Suecia . [23] Al igual que en el caso del WTS-3, varios componentes del aerogenerador WTS-75 tuvieron que ser reparados o modificados durante los primeros años de funcionamiento. [23] El WTS-75, como la mayoría de los otros aerogeneradores de varios MW durante su época, no tenía una bisagra tambaleante y tenía una torre rígida que estaba hecha de hormigón, que era considerablemente más grueso que las torres de acero blando. [23]
El diseño rígido del sistema WTS-75 sin amortiguación fue problemático, posiblemente contribuyendo a las grietas que aparecieron en las vigas de acero de las palas. [23] Las grietas en las palas se repararon con soldadura pero finalmente, en 1988, la operación tuvo que detenerse después de que apareciera una grieta cerca del eje en una de las palas. [23] En 1991, se desmontaron los componentes principales de la turbina, pero se dejó la torre de hormigón y se reutilizó para el Näsudden II. [23]
El WTS-4 fue la turbina eólica más potente que haya operado en tierra en los EE. UU. y mantuvo el récord mundial de potencia de salida durante más de 20 años. [2] [8] [15] Hacia el final del proyecto WTS-4, la NASA proporcionó a Doman fondos para explorar una amplia gama de velocidades variables. [2] [8] [15] El resultado del trabajo de Doman fue una sólida patente a su nombre y la conclusión de que se debería desarrollar un sistema de velocidad variable de este tipo (es decir, la turbina Gamma). [2] [8] [15] Después de una extensa revisión de diligencia debida, Enel (la empresa de servicios públicos más grande de Italia) y Aeritalia compraron una licencia de United Technologies y trasladaron a Glidden Doman a Italia, donde se diseñó y demostró la tecnología Gamma 60 bajo Wind Energy Systems Taranto SpA (WEST). [2] [8] [15]
Gamma, el acrónimo italiano del proyecto de WEST (Wind Energy Systems Taranto SpA) - “Generador eólico avanzado de varios megavatios” (Generatore Anemoelettrico Multi Megawatt Avanzato), comenzó en 1986 y exploró toda la tecnología disponible para crear un diseño de turbina optimizado para el rendimiento económico. [8] En este programa, Glidden Doman aplicó sus últimas ideas a una nueva máquina, considerablemente mejorada respecto de las máquinas WTS-4 y WTS-3 que había diseñado para su instalación en Wyoming y Suecia respectivamente. [16] Bajo el liderazgo de Doman, un equipo de ingenieros italianos diseñó la turbina Gamma 60. [2] [5] La turbina eólica Gamma 60 adoptó la configuración contra el viento y el concepto de velocidad variable del WTS-75, la tecnología de palas de bobinado de filamentos del WTS-4 y el WTS-3, y la bisagra oscilante con material elastomérico de la tecnología de helicópteros de Glidden Doman . [8] [26] [25] Basándose en experiencias directas e indirectas que abarcan 50 años, Doman concluyó que la configuración de la turbina a barlovento es mejor que la de sotavento desde el punto de vista de la carga y que el ángulo Delta tres cero es importante para la estabilidad del rotor. [22] [26] [25]
La Gamma 60 fue la primera turbina eólica de velocidad variable del mundo con una bisagra oscilante. [1] [3] [8] Un objetivo principal del proyecto Gamma 60 era probar el control de potencia de una turbina de bisagra oscilante de dos palas guiñando el rotor en lugar de inclinando las palas. [4]
La tecnología de Gamma se basa en la filosofía de diseño de Doman de cumplimiento con las fuerzas de la naturaleza en su eje oscilante, torre flexible y tren de potencia de velocidad variable de amplio rango en lugar de resistencia a estas fuerzas, que es frecuente en los diseños de turbinas danesas de 3 palas. [10] El trabajo de Doman se inspiró aún más en el ingeniero aeroespacial alemán Kurt Hohenemser , quien declaró que las turbinas eólicas deberían ser de dos palas, de paso fijo y controladas por guiñada para lograr la mayor confiabilidad. [11] El Dr. Hohenemser, junto con su mentor Anton Flettner , desarrolló helicópteros para el ejército estadounidense después de estar entre los primeros inmigrantes alemanes en los Estados Unidos después de la Segunda Guerra Mundial. [11] [12]
La turbina de Gamma consta de dos palas que están interconectadas rígidamente entre sí a través del eje, pero hay una bisagra oscilante entre el eje y el eje. [2] El balanceo libre resultante del rotor elimina ciertas fuerzas aerodinámicas muy variables sobre las palas que de otro modo se producirían. [19] También impide que cualquier fuerza vibratoria significativa llegue al eje del rotor, la góndola o la torre. [8]
Glidden Doman replicó con éxito los beneficios asociados con el rotor de helicóptero de cuatro palas con una bisagra de cardán, al mismo tiempo que reconoció las ventajas inherentes a los rotores de helicóptero de dos palas, en el desarrollo del rotor de dos palas Gamma 60 con una bisagra oscilante. [5] [8] El HAWT Gamma 60 de 1,5 MW comenzó a operar en Alta Nurra , Cerdeña , Italia en julio de 1992. [1] La potencia de la turbina Gamma 60 se controla guiñando el rotor, una maniobra que es posible gracias al alivio de carga resultante del diseño del sistema blando. [1] Las características que incluyen la bisagra oscilante que elimina la carga vibratoria principal, permiten que un sistema Gamma sea muy liviano y, sin embargo, tenga una vida útil por fatiga esencialmente infinita. [8] [19] La bisagra oscilante, junto con el menor torque del eje debido a la mayor velocidad de funcionamiento, conduce a un sistema muy liviano. [19]
La amplia gama de velocidades variables permite que Gamma funcione a velocidades de rotación proporcionales a la velocidad del viento. [4] Esto permite que la turbina Gamma sea notablemente silenciosa cuando el viento es moderado y funcione más rápido en condiciones de viento fuerte. [4]
Como no hay mecanismos de control del paso de las palas en el sistema rotatorio, la confiabilidad y facilidad de mantenimiento de la turbina Gamma son superiores. [8] [19] Además, Gamma tiene importantes valores de seguridad intrínseca que provienen de la simplicidad de sus características y del rotor que está diseñado para no sufrir daños incluso en caso de exceso de velocidad de funcionamiento libre bajo el caso de carga más severo. [8] De hecho, debido a que un sistema Gamma no siente efectos nocivos de la turbulencia incluso a alta velocidad de funcionamiento, no hay necesidad de establecer una velocidad de corte a la que debe apagarse. [8]
La NASA reconoció los logros de Gamma al presentarlo con una descripción detallada en la publicación de ASME “Tecnología de turbinas eólicas: conceptos fundamentales en ingeniería de turbinas eólicas” editada por David A. Spera. [10]
Fuentes: [4] [26] [9] [25]
El monto total de inversión para el proyecto de turbina eólica Gamma 60, ITL ₤39,000 millones (US$30 millones), se proporcionó en dos tramos. [9] [25] El 10 de octubre de 1986, se firmó un contrato por un monto de ITL ₤20,000 millones ITL (US$15.385 millones) entre Aeritalia , Fiat Aviazione y ENEA (Italia) para desarrollar el Gamma 60. [9] [25] El 12 de marzo de 1987, se firmó un contrato por un monto de ITL £19,000 millones (US$14.615 millones) entre Aeritalia , Fiat Aviazione y Enel para modernizar y mejorar el Gamma 60 con 2 turbinas eólicas Gamma 2000 (2 MW). [9] [25]
Español La financiación de los contratos del proyecto Gamma 60 fue proporcionada por Enel - ITL ₤15,000 millones (US$11.538 millones); ENEA (Italia) - ITL ₤10,500 millones (US$8.077 millones); la Comunidad Europea - ITL ₤10,500 millones (US$8.077 millones); y socios industriales - ITL ₤3,000 millones (US$2.308 millones). [9] [25] Como participantes en el equipo del proyecto, ENEA (Italia) proporcionó investigación y desarrollo; Hamilton Standard contribuyó con el diseño del sistema, el software de control y la fabricación de las palas; Sulzer fabricó los accionamientos de eje y guiñada, Finmeccanica (a través de Ansaldo ) fabricó el generador y el sistema de control. [25] El papel de Enel , además de ser un cliente de la electricidad producida, fue la supervisión tecnológica del desarrollo de Gamma 60, la operación de Gamma 60; Enel también fue designada para instalar y operar las turbinas Gamma 2000 (2 MW). [9] [25] El 3 de julio de 1990, Aeritalia , después de adquirir Fiat Aviazione , transfirió la propiedad de su negocio de turbinas eólicas a Wind Energy Systems Taranto SpA (WEST). [9] [25]
El prototipo WEST Gamma 60 se instaló en Alta Nurra , Cerdeña , Italia , en abril de 1992 y fue seguido por su primera conexión a la red en junio de 1992. [1] [4] Después de la puesta en servicio, el funcionamiento de la turbina aumentó gradualmente en términos de potencia nominal, hasta alcanzar los 1500 kW en agosto de 1994. [4]
Fuente: [4] [25]
Hasta el 1 de octubre de 1997, el Gamma 60 produjo para la red 4.390 horas (horas de generador) y 1.318 MWh, como se ilustra en la siguiente tabla. [4]
En 1997, Silvestro Caruso, un ingeniero mecánico nuclear italiano que fue asignado por Finmeccanica (ahora Leonardo SpA) para una revisión independiente de la turbina Gamma 60 concluyó, con Glidden Doman y el equipo de revisión de diseño, que la tecnología Gamma tiene un gran potencial. [5] Un mayor desarrollo para reducir costos (moldes de palas optimizados y actualizaciones del bobinado de filamentos) y mejorar el rendimiento (mayor capacidad de mantenimiento, más confiabilidad y redundancia en el campo eléctrico y electrónico) fueron objetivos identificados para las turbinas eólicas Gamma industrializadas. [4] [9] [25] El equipo WEST, bajo el liderazgo de Glidden Doman , replicó con éxito los beneficios asociados con el rotor de helicóptero de cuatro palas con una bisagra de cardán, al mismo tiempo que reconoció las ventajas inherentes a los rotores de helicóptero de dos palas, en el desarrollo del rotor de dos palas Gamma 60 con una bisagra de balanceo y control de potencia de guiñada. [8]
El alcance del contrato del proyecto Gamma 60 entre WEST y ENEL era probar el sistema de control de guiñada de Gamma 60 y mejorar el prototipo resultante a 2 MW con mejoras para hacer que la turbina eólica sea adecuada para la producción comercial. [4] [9] Sin embargo, WEST fabricó las turbinas Gamma 2000 al igual que la Gamma 60, solo aumentando la velocidad de funcionamiento sin ninguna mejora. [9] [25] Los planes para comercializar el prototipo estaban bien encaminados antes del final del proyecto Gamma 60. [4] ENEA (Italia) , desde el comienzo con las dos turbinas Gamma 2000 parcialmente fabricadas, solicitó que WEST continuara con su compromiso de desarrollo y producción de turbinas eólicas a gran escala. [9] [25] Además, una empresa de servicios públicos estadounidense, después de revisar un estudio de ahorro de costos y una cotización de precios, solicitó comprar un conjunto de 10 turbinas eólicas Gamma con la condición de que West no dejara las unidades "huérfanas". [9] [25] Sin embargo, Finmeccanica no pudo garantizar este compromiso porque consideró que el negocio era demasiado poco rentable debido a los precios deprimidos del petróleo en 1998. [25] Los planes de comercialización para el prototipo Gamma 60 se detuvieron, incluida una inversión condicional para 10 turbinas Gamma por parte de una empresa de servicios públicos estadounidense, debido a disputas legales y reclamos contractuales entre WEST y Enel , la privatización de Enel y la caída de los precios del petróleo en 1998. [4] [6] [9] [25]
En 2004, Glidden Doman y Silvestro Caruso decidieron adquirir de Finmeccanica (a través de Ansaldo ) los derechos de la tecnología Gamma, junto con la documentación técnica y dos turbinas Gamma de 2 MW aún por completar. [1] [8] Para esta adquisición, junto con otros accionistas, fundaron y lanzaron Gamma Ventures, Inc. [1] [8]
Después de algunas revisiones en las estructuras y planes corporativos, los derechos de Gamma fueron finalmente transferidos a una nueva compañía, Seawind Ocean Technology BV, que está trabajando en la colocación de turbinas con rotores de tipo Gamma (Seawind 6-126 y Seawind 12-225) en estructuras de soporte de turbinas eólicas flotantes offshore de hormigón autoinstalables , con el objetivo de hacerlo en numerosos lugares alrededor del mundo. [1] [8]