UF0218: Montaje y mantenimiento mecánico de parque eólico

Elaborado por: Equipo Nuevos Negocios en la Red

Edición: 7.0 NUEVOS NEGOCIOS EN LA RED S.L.

ISBN: 978-84-16199-71-6 • Depósito legal: MA 1314-2014 No está permitida la reproducción total o parcial de esta obra bajo cualquiera de sus formas gráficas o audiovisuales sin la autorización previa y por escrito de los titulares del depósito legal. Impreso en España - Printed in Spain

ínDice Montaje y mantenimiento mecánico de un parque eólico

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Metodología del montaje y mantenimiento mecánico de instalaciones de energía eólica 1.1. Introducción......................................................................................8 1.2. Objetivos...........................................................................................8 1.3. Metodología del montaje y mantenimiento mecánico de instalaciones de energía eólica..........................................................9 1.3.1. Tipos de instalaciones...............................................................9 1.3.2. Monteje y mantenimiento mecánico de parques eólicos y aerogeneradores................................................................. 27 Ideas clave...............................................................................................119 Autoevaluación UD1................................................................................. 123

UD2

Montaje y mantenimiento mecánico de instalaciones de energía eólica 2.1. Introducción.................................................................................. 130 2.2. Objetivos....................................................................................... 130 2.3. Montaje y mantenimiento mecánico de instalaciones de energía eólica........................................................................... 130 2.3.1. Diseño de la estructura del montaje mecánico......................131 2.3.2. Diseño de la estructura del mantenimiento mecánico.......... 136 2.3.3. Técnicas y operaciones en el montaje y mantenimiento mecánico de aerogeneradores............................................. 138 Ideas clave...............................................................................................219 Autoevaluación UD2.................................................................................221

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Mecánica específica 3.1. Introducción.................................................................................. 228 3.2. Objetivos....................................................................................... 228 3.3. Uso de herramienta de control de pares y de engrase.................... 228 3.4. Ensamblaje de la máquina en el taller y proceso de colocación en campo. Mantenimiento preventivo...........................................249 3.5. Conocimiento de materiales.......................................................... 250 3.6. Tecnología del mecanizado: Torno, fresa y herramientas de corte......................................................................................... 251 3.7. Soldadura: Tecnología de la soldadura. tipos de soldadura, electrodos..................................................................................... 256 Ideas clave...............................................................................................261 Autoevaluación UD3.................................................................................263

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Montaje y mantenimiento mecánico y eléctrico de un parque eólico

UD1

Metodología del montaje y mantenimiento mecánico de instalaciones de energía eólica 1.1. Introducción 1.2. Objetivos 1.3. Metodología del montaje y mantenimiento mecánico de instalaciones de energía eólica 1.3.1. Tipos de instalaciones 1.3.2. Monteje y mantenimiento mecánico de parques eólicos y aerogeneradores

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Homero describe en la Ilíada, el regalo que Eolo le hizo a Ulises para que pudiera volver a su Patria. Encerró en un odre el curso de todos los vientos y dotó con hilo de plata a su nave para que ningún viento le fuese contrario. Y mandó después el soplo de Céfiro en su favor para que Ulises llegara a Ítaca. Un regalo semejante al que hoy en día nos hacen los modernos ingenios eólicos que recogen todos los vientos en sus palas y nos entregan luego la energía que permite la travesía a nuestras vidas. Los parques eólicos agrupan estos ingenios y dan sentido al conjunto como moderno odre a nuestras necesidades actuales.

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1.1. Introducción Para que un parque eólico pueda funcionar correctamente es indispensable que la infraestructura y planificación de la obra civil, el montaje y el mantenimiento, así como de los planes correctivos y preventivos estén perfectamente ejecutados. Cualquier retraso de la puesta en marcha por una inadecuada planificación, así como una parada debida a fallos imputables a una mala ejecución de las opera­ ciones de mantenimiento preventivo, supondría unos elevados costes por desco­ nexión de la línea de evacuación a la red. Estos fallos podrían poner en compromi­ so toda la instalación, y el futuro funcionamiento de esta. El alumno debe ser consciente de la importancia de su papel en el trabajo que des­ empeña durante el montaje, el mantenimiento y en los usos de instrucciones y procedimientos de operación. En el tema se introducirá al alumno en los distintos tipos de instalaciones (obra civil, máquina eólica, subestación eléctrica, torres meteorológicas y otras instalaciones), además, en la segunda parte del capítulo (montaje y mantenimiento y mecánico de parques eólicos y de aerogeneradores), se introducirá al lector en la metodolo­ gía de trabajo de un parque eólico (montaje, puesta en marcha, mantenimiento preventivo y correctivo, equipo de trabajo) en los procedimientos y operaciones de preparación y replanteo de las instalaciones, fases de montaje; organización y plan de seguridad, calidad en el montaje, procesos de documentación técnica de traba­ jo, tipología de averías, programas de mantenimiento, diagnósticos de averías en instalaciones de energía eólica, procedimientos de aislamiento mecánico y eléctri­ co de los diferentes componentes de la instalación durante la realización del man­ tenimiento correctivo, métodos para la reparación de los distintos componentes mecánicos de las instalaciones, análisis económico de las actuaciones, equipos y herramientas más usuales para realizar el montaje y mantenimiento mecánico de las instalaciones eólicas y sistemas de seguridad para el mantenimiento de éstas.

1.2. Objetivos 44 Conocer los diferentes tipos de instalaciones para energía eólica. 44 Identificar los diferentes elementos mecánicos de la instalación eólica en un proyecto de montaje o en una memoria técnica. 44 Realizar esquemas simbólicos simples relacionados con el detalle del montaje o con la actuación del mantenimiento.

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UD1 44 Descubrir las tareas a realizar en el montaje y mantenimiento mecánicos de parque eólico, secuenciando ésta. 44 Descubrir la herramienta y equipos necesarios para el montaje y mantenimiento mecánicos. 44 Definir las características que ha de tener el entorno de trabajo. 44 Señalar los requerimientos de seguridad.

1.3. Metodología del montaje y mantenimiento mecánico de instalaciones de energía eólica La decisión del emplazamiento y el montaje definitivo de un parque eólico está condicionada por una serie de estudios y mediciones exhaustivos. Muchas veces este emplazamiento además viene determinado por criterios como la proximidad a centros de consumo y subestaciones elevadoras de distribución, la orografía del terreno, estudios de vientos predominantes y dificultado por obstáculos como tur­ bulencias, efectos propios del parque (efecto de estela turbulenta). En los siguientes capítulos comprenderemos cómo armonizar el montaje de todos los elementos que constituyen el parque con su entorno orográfico, lo cual será decisivo para obtener el máximo rendimiento permitido por el emplazamiento.

1.3.1. Tipos de instalaciones Aunque el diseño y planificación del parque eólico en sí no sea competencia directa del trabajador cualificado que se pretende instruir, pues esta información siempre viene definida en el proyecto de ejecución de obra realizado por el técnico o téc­ nicos responsables competentes, es muy importante tener un conocimiento que permita una adecuada comprensión del proceso de obtención de dicha informa­ ción, así como su correcta interpretación y puesta en práctica. Como norma general, los aerogeneradores en los parques eólicos suelen empla­ zarse alineadamente dejando un emplazamiento entre líneas de aerogeneradores, que constituye una separación de 5 a 9 diámetros de rotor en la dirección de los vientos dominantes, y de 3 a 5 diámetros de rotor en la dirección perpendicular en los vientos dominantes.

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3-5 Dirección predominante

Figura 1.1. Emplazamiento de los aerogeneradores

La selección de esta configuración se realiza tras evaluar el rotor de la turbina eóli­ ca que se monte, la rosa de los vientos, la distribución de Weibull y la rugosidad en las diferentes direcciones. Con ello, los proyectistas pueden minimizar la pérdida de energía debida al apantallamiento de los aerogeneradores entre sí. Con esta forma de situar los aerogeneradores, la pérdida típica está en torno a un 5%. Las instalaciones que se distinguen en un parque eólico, sobre las que vamos a centrar nuestros estudios, son las siguientes: 44 Obra Civil. 44 Máquina eólica. 44 Subestación eléctrica. 44 Torres meteorológicas. 44 Otras instalaciones. 1. OBRA CIVIL: La obra civil implica la elaboración o trazado de los caminos de acceso, arquetas, zanjas de tendido eléctrico y comunicaciones; así como la elaboración de la ade­ cuada cimentación del aerogenerador. Como norma general, en primer lugar se procede al levantamiento topográfico de la zona, para poder diseñar todos los viales necesarios para el acceso a cada aero­ generador y sus respectivas plataformas de montaje.

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UD1 Es muy importante proyectar los viales en planta, intentando aprovechar todos los caminos que ya existen, siguiendo siempre los requisitos que deben cumplirse, para que posteriormente, los transportes especiales (camiones muy pesados y de elevada envergadura que llevarán plataformas, góndolas, grúas y palas de dimen­ siones considerables) puedan maniobrar correctamente hasta el emplazamiento asignado en el parque. Con los ejes definitivos en planta, se realiza un alzado si­ guiendo también, las características deseables que permitan un equilibrio entre el volumen de tierras de desmonte en terraplén. Posteriormente, se definen las secciones tipo de los viales, considerando los an­ chos de estos según los radios de las curvas y zonas de terraplén o desmonte, para ubicar cunetas y obras de drenaje, según la situación idónea. Con esto, evitaremos el estancamiento de aguas. Cuando se realicen los movimientos de tierra necesarios de desmonte y terraplén para adecuar el terreno a las rasantes proyectadas y diseñadas de los viales, éstas deben realizarse de manera que el movimiento de tierra sea mínimo. Con esto, nos adaptaremos al máximo a la topografía natural del terreno. Por eso, si aprovecha­ mos, en la medida de lo posible los caminos ya existentes, afectaremos al mínimo las parcelas de la zona de actuación. Es reseñable la necesidad de utilización de equipos tipo GPS para proceder al le­ vantamiento topográfico de la zona, una vez realizado el reconocimiento. Esto permitirá al proyectista determinar las poligonales necesarias para obtener un mo­ delo digital del terreno y en consecuencia, el plano definitivo, que es el que se sigue para la instalación y mantenimiento del parque eólico. Para la instalación y mantenimiento del parque eólico es preciso realizar una obra civil que cumpla las prescripciones técnicas y que contemple los siguientes ele­ mentos: 44 Red de viales del parque eólico. 44 Plataformas para montajes de los aerogeneradores. 44 Cimentación de los aerogeneradores. 44 Obras de drenaje. Ver imagen en la página siguiente:

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Figura 1.2. Detalle de un plano digitalizado con viales de acceso

RED DE VIALES DEL PARQUE EÓLICO: Conviene tener en cuenta que siempre que sea posible, el acceso al parque debe realizarse desde la carretera principal. Si esto no fuera posible, procuraríamos un acceso teniendo en cuenta las consideraciones que se expondrán posteriormente para transportes especiales. Hay que tener en cuenta además, los viales que comunican los aerogeneradores entre sí y con la carretera de acceso al parque. Estos se componen de caminos exis­ tentes, con mayor o menor necesidad de adecuación en cuanto a trazado y firme, creando para ello una red de pistas asfaltadas. Además, es necesario definir unos tramos que corresponden en su mayor parte a los ramales últimos que acometen a las turbinas del parque eólico considerado. Todos los viales del parque tienen que cumplir con unas especificaciones mínimas que se establecen en el proyecto. En general, deberíamos asumir al menos (dependiendo del tipo de instalación): Ver tabla en la página siguiente:

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UD1 Ancho del camino

4,50 m

Radio mínimo de curvatura

35 m (en el eje)

Pendientes máximas

12% (en tierras)

Espesor de firme en vial en tierras 0,30 m (0,2 para sub-base y 0,1 para base) Espesor mínimo de tierra vegetal

0,25 m

Desmontes

Talud 1/1

Terraplenes

Talud 3/2 Tabla 1.1. Especificaciones mínimas en un proyecto

En los caminos ya existentes las obras se deben limitar a la realización de un acondicionamiento de los mismos, de manera que éstos puedan ser usados por camiones tipo Góndola, que son los que transportarán las piezas necesarias para la construcción del parque. Dicho acondicionamiento permitirá el traslado de los equipos que deben ser instalados así como también facilitará el acceso a la zona, beneficiándose de esta manera tanto los responsables del parque en las labores del mantenimiento como los agricultores de la zona, que verán cómo los accesos son mejorados y por tanto facilitada igualmente su labor agraria. Para realizar el acondicionamiento de la plataforma de los viales se tendrán en cuenta las especificaciones formuladas anteriormente (tabla 1.1). En general, tal y como hemos dicho, la anchura no será inferior a 4,50 metros. La primera actuación necesaria será la de desbroce y rebaje del terreno natural, retirando la capa de tierra vegetal, viniendo determinado el espesor de dicha capa por el estudio geotécnico. Debe hacerse notar que en los casos en que el camino ya tenga la anchura adecuada, no se realizarán las operaciones de desbroce y rebaje. Además se procurará mantener la rasante existente en el terreno, salvo en aque­ llos casos específicos donde pueda ser necesario realizar desmonte y terraplén, impuesto por la pendiente máxima exigida del 12% (que en algún caso especial, también puede ser algo mayor). La tierra vegetal desbrozada se almacenará en lugar apropiado para que cuando finalice la obra, pueda ser extendida en los taludes creados.

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Una buena práctica en lo referente a la sección estructural del firme sería la si­ guiente constitución: 44 Sub-base: granular, de 20 cm de espesor. 44 Base: de 10 cm. de espesor, compactada hasta el 98% del Proctor Modificado. 44 Para pendientes superiores al 10%, se sustituirá la última capa por suelo cemento (de espesor 10 cm). El radio mínimo de curvatura debe ser de 35 m, debido a las dimensiones de los ve­ hículos que transportan las palas, las curvas que tienen radios comprendidos entre 35 y 60 m, deben estar dotadas de sobre anchos para permitir que circulen los ve­ hículos hasta las áreas de maniobras, y que las dimensiones de estos sobre anchos dependen directamente del radio de la curva. Evidentemente, cuanto menor es el radio, mayor será el sobre-ancho. Si los resultados del estudio geotécnico lo permiten, los terraplenes necesarios para acondicionar el terreno podrán realizarse a partir del material extraído de los desmontes. Las excavaciones ó desmontes, se realizarán generalmente con talud 1/1, y los te­ rraplenes con talud 3/2, según hemos comentado. Además, estos taludes se trata­ rán con sistemas de hidrosiembra. Las pendientes transversales de la explanada serán aproximadamente del 2% des­ de el eje hacia los extremos de la misma, en toda la longitud de los caminos, y las cunetas para drenaje suelen ser del tipo “V”. Finalmente, hemos de considerar que los viales, a su paso por las áreas de manio­ bra, deben ser solidarios a éstas para evitar la creación de escalones o pendientes bruscas de acceso. PLATAFORMAS: Las plataformas o áreas de maniobra se habilitan para permitir los procesos de descarga y ensamblaje, así como el posicionamiento de las grúas para los izados de los elementos que componen el aerogenerador. Suelen situarse junto a la cimentación del aerogenerador, a 1,5 metros de ésta. Las dimensiones son variables, y nunca menores de 24x16 m, y se sitúan a la misma cota de acabado de la cimentación, aunque pueden llegar a estar sobre elevadas hasta una altura máxima de 1,5 metros respecto a la cimentación.

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UD1 Las plataformas son temporales, pues se usarán durante un período de tiempo muy corto, por ello, y con el fin de minimizar la afección al medio, se diseñan mediante un desbroce de tierra vegetal y una posterior compactación del terreno natural para dar un asiento firme a grúas y transportes. Esta compactación se efectúa con rodillos compactadores (12 – 14 Tn). Una vez terminado el montaje de los aeroge­ neradores, las plataformas que fueron creadas sin necesidad de realizar movimien­ tos de tierras serán restituidas. Las áreas construidas sobre terraplenes deberán obtener un Proctor Modificado del 97% y sus taludes se tratarán mediante sistemas de hidrosiembra. Se intentará siempre que la excavación a realizar para la creación de las plata­ formas sea mínima, de forma que, una vez finalizada la construcción del parque, permita su utilización para el uso agrícola, reduciendo de esta manera el impacto ecológico. De la misma forma que se hace durante la construcción de viales, la tierra desbro­ zada se almacenará en lugar apropiado, para que cuando finalice la obra, pueda ser extendida para la restauración del terreno a su estado original. Los terraplenes necesarios para el acondicionamiento del terreno podrán realizar­ se a partir del material extraído de los desmontes, siempre que en el estudio geo­ técnico el material se considere adecuado. CIMENTACIONES: La cimentación de los aerogeneradores se realizará mediante zapata de hormigón armado, con la geometría, dimensiones y armado recomendados por la empresa distribuidora. El acceso de los cables al interior de la torre se realizará a través de tubos flexibles embebidos en la peana de hormigón, en la que se colocarán también, tubos de desagüe para evitar la acumulación de agua en el interior de la torre. Para facilitar la evacuación del agua, la superficie de la cimentación se diseña con una inclina­ ción del 2%. Una vez realizada la excavación para la cimentación, con las dimensiones adecua­ das, se procederá al vertido de una solera de hormigón de limpieza, en un espesor mínimo de 0,10 m, se dispondrá la ferralla y se nivelará el carrete por medio de espárragos de nivelación.

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Fotografía 1.1. Detalle de Ferralla y Carrete

Es necesaria una precisión total en el posicionamiento y nivelado referidos, que serán verificados mediante nivel óptico, no permitiéndose ningún desvío respecto al posicionamiento teórico. Una vez nivelado el carrete, se procederá al hormigo­ nado. Tanto la zapata como el pedestal serán de hormigón armado. Durante la realización de la cimentación se tomarán probetas del hormigón utiliza­ do, para su posterior ensayo de rotura en laboratorio. El hueco circulante al pedestal se rellenará con material procedente de la excava­ ción.

Fotografía 1.2. Fase 1 de finalización de la cimentación

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Fotografía 1.3. Fase 2 de finalización de la cimentación

Fotografía 1.4. Fase 3 de finalización de la cimentación

OBRAS DE DRENAJE: Cuando el camino discurra en desmonte, para la evacuación de las aguas de esco­ rrentía y la infiltrada del firme de estos caminos, se dispondrán cunetas laterales a ambos márgenes. Las dimensiones de estas cunetas suelen ser de 0,50 m de an­ chura y 0,30 m de profundidad, salvo en zonas de pendientes fuertes, donde se ampliarán hasta los 0,70 m de anchura y 0,35 m de profundidad. Se evitará que el agua recogida por las cunetas se infiltre en las capas del firme, para lo cual se realizará la evacuación del agua de las mismas por los siguientes mecanismos:

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44 Puntos de paso de desmonte a terraplén:

El agua discurrirá por las pendientes naturales del terreno hacia los cauces del mismo. Se evitará que el agua de las cunetas erosione los terraplenes, para lo cual aquéllas serán prolongadas hasta la base de éstos.

44 Insuficiencia de sección de cuneta:

En estos puntos, será necesaria la construcción de pozos para la recogida de las aguas provenientes de las cunetas, que serán conducidas posteriormente a través de la obra de fábrica transversal, consistente en un colector de hormi­ gón, revestido de hormigón en masa, de tipo sencillo. Los pasos se realizarán mediante tubos de hormigón de 40, 60, 80 ó 100 cm de diámetro según sea necesario.

ZANJAS: Las zanjas para cables de media tensión y de comunicación discurrirán paralelas a los caminos de servicio siempre que sea posible, por un lateral y con el eje a una distancia máxima de 1,2 m entre el borde del talud del vial y el centro de la zanja para anchuras de entre 60 y 80 cm; y de 1,5 m para zanjas con anchura compren­ dida entre 1 y 1,2 m. Las zanjas que discurran adjuntas a un vial diseñado en terraplén, deberán trazarse al pie de éste. En los tramos en los que el vial esté generado con sección en des­ monte, deberá preverse un espacio supletorio, en uno de los lados, de 1,5 m de anchura para la futura ejecución de la zanja.

Fotografía 1.5. Detalle zanja para tendido eléctrico y de comunicación

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Figura 1.3. Sección transversal de un vial en Terraplén

2. MÁQUINA EÓLICA. AEROGENERADOR: Los aerogeneradores que se instalan actualmente en los parques eólicos son del tipo Eje Horizontal. En éstos, como sabemos, el rotor gira en un plano perpendicu­ lar al viento, siendo el eje paralelo al suelo. Entre las principales ventajas que existen para esta configuración de máquina, te­ nemos la de poseer mayor superficie interceptada por rotor que un aerogenerador de eje vertical para una misma longitud de aspa. Otra de las ventajas consiste en la capacidad de girar a velocidades mayores, lo que simplificará el diseño de la caja multiplicadora. Finalmente, y quizás la más importante de las características que hacen este tipo de máquinas la elección idónea para un parque eólico, es el hecho de poseer un mayor rendimiento. Estructura del Aerogenerador de Eje Horizontal: Están compuestos por una gran torre, un rotor con varias palas, una góndola, ele­ mentos mecánicos y eléctricos (multiplicadora, sistema de orientación, sistemas de control, sistemas de frenado de emergencia, generador, transformador, circui­ tos de acondicionamiento de potencia, etc.) y otros sistemas auxiliares:

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1. Cimentación Su misión es la de fijar al suelo toda la estructura, soportando el peso del res­to de elementos y proporcionando esta­ bilidad al conjunto eólico. Requieren obra civil, y representa aproximadamente el 10% del coste total del proyecto. 2. Torre Comunican la Góndola y el Rotor con la cimentación, sirviéndoles de base. Su misión es la de dar estabilidad a to­do el conjunto, que está sometido a fuer­tes vientos, por lo que su resistencia mecá­ nica ha de ser muy elevada. La altura es variable, pudiendo llegar has­ ta los 100 m. Debe ser la suficiente para provocar una captación de viento eficaz.

Fotografía 1.6. Elementos de un Aerogenerador. Fuente: “Energías Renovables para todos” Ed. Haya Comunicación

El material generalmente empleado es el acero, y los tipos más usuales en parque eólico son las de ejes tubulares y las de celosía. Las primeras son las de uso más extendido. Están compuestas por secciones troncocónicas de acero de varias decenas de metros cada una (20 a 30 generalmente), con reducción del diámetro en la dirección ascendente. Estas se unen entre sí con grandes pernos, en el propio parque. Representan un coste de entre el 15 y el 20 % del total del proyecto. El transporte de las secciones se realiza en vehículos especiales, con precauciones extremas.

Las torres tubulares alojan en su interior algunos de los elementos auxiliares, como son el transformador y el sistema de control. Además, constituyen la vía de acceso de los operarios hasta la góndola, para las labores de mantenimiento.

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