Un aerogenerador consta de cuatro elementos principales: el rotor, la góndola, la torre y la cimentación.
ROTOR
El rotor es el elemento principal de una máquina eólica, y su función es la de transformar la energía cinética del viento en energía mecánica utilizable. En la práctica se denomina al conjunto como rotor, entendiendo como tal sistema formado por la nariz, el buje, las palas, el eje y el sistema de regulación de potencia.
NARIZ
Es un elemento aerodinámico que se encuentra en frente de la dirección del viento sobresaliendo en la zona de unión entre las palas y el buje. Tiene la misión de redireccionar el flujo de viento en la parte frontal del rotor a los respiraderos de la góndola, además de evitar turbulencias en la parte frontal del rotor.
BUJE
El buje es el elemento que se encuentra en la parte frontal de los aerogeneradores, y a él van unidas las palas y la nariz, siendo el único elemento que gira.
Consiste en una esfera hueca cortada con tres planos en los que se conforman las bridas de unión a los rodamientos de pala y se fabrica normalmente en fundición de hierro esferoidal. Este elemento se somete a la verificación de fatiga más crítica en su diseño.
Dentro del buje encontramos los elementos que permiten el cambio de paso o “pitch” (ángulo de incidencia del viento sobre la pala), y que en las versiones más modernas encontramos cilindros hidráulicos o motores eléctricos que permiten el giro entre 0º para velocidades de viento de 0 m/s a 15 m/s y 90º o posición en bandera en situaciones de parada de emergencia.
A ese elemento se le unen los pernos de pala, los cuales minimizan el rozamiento de las palas al girar sobre su propio eje.
El buje del rotor está acoplado al eje de baja velocidad del generador.
PALAS
Las palas del rotor capturan la potencia del viento y la transmiten hacia el buje. Los aerogeneradores marinos modernos de más potencia cuentan con palas que superan ya los 80 metros, y diámetros que superan los 160 metros.
Muchos diseñadores de palas usan a menudo perfiles clásicos de ala de avión como sección transversal en la parte más exterior del ala. Por otro lado, los perfiles gruesos de la parte más interior del ala suelen estar diseñados específicamente para turbinas eólicas.
¿Quieres conocer más cosas?
Los aerogeneradores son máquinas que convierten la energía cinética del viento en energía mecánica, aprovechando la energía del ciento para producir electricidad. La captación de la energía eólica se produce mediante la acción del viento sobre las palas del aerogenerador. El principio aerodinámico que provoca que las alas giren es parecido al que hace que los aviones vuelen. En este principio, el aire es obligado a fluir por las caras superior e inferior de un perfil inclinado, generando una diferencia de presión en ambas caras, y provocando una fuerza resultante que actúa sobre el perfil.
Descomponiendo esta fuerza en dos direcciones, como muestra la imagen, existen:
-Una fuerza de sustentación en la dirección perpendicular al viento.
-Una fuerza de arrastre en dirección paralela al viento.
Según como estén configuradas las palas con respecto al viento y al eje de rotación, la fuerza que producirá el par motor será dominante de arrastre o sustentación.
Con excepción de los molinos de eje vertical, actualmente en todos los aerogeneradores la fuerza dominante es la de sustentación, ya que permite obtener mayores potencias por unidad de área del rotor con menor peso y coste.
¿Cómo funcionan los aerogeneradores?
Los aerogeneradores, para ponerse en marcha, necesitan un valor mínimo de viento que les permite vencer los rozamientos y vencer el trabajo útil. A este valor mínimo de viento se le denomina velocidad de conexión, sin la cual no es posible arrancar el aerogenerador, y que está comprendida entre 3m/s y 5m/s. A partir de este valor de velocidad de viento, las palas del aerogenerador comenzarán a rotar convirtiendo la energía cinética en energía mecánica hasta alcanzar la potencia nominal, que es la máxima a la que puede llegar. Llegados a este punto, comienzan a actuar los mecanismos activos o pasivos de regulación para evitar que la máquina trabaje bajo condiciones a las que no fue concebida. Aun habiendo velocidades de viento mayores, la potencia que entrega la máquina no va a ser diferente a la nominal produciéndose esto hasta llegar a la velocidad de corte, donde por razones de seguridad, el aerogenerador se desconecta. La velocidad de corte suele ser de 25 m/s.
Las palas están compuestas de una estructura central resistente y dos conchas exteriores que conforman el perfil aerodinámico, que poseen forma alabeada y una anchura decreciente hasta la punta en dirección axial. Se fabrican con materiales compuestos de matriz de políester y refuerzo de fibras de vidrio o carbono. Algunas de las pruebas que se realizan a las palas para comprobar su integridad estructural son resistencia frente a cargas de fatiga y frente a cargas últimas, siendo crítico el pandeo en palas de grandes dimensiones.
Las palas dejarán de proporcionar sustentación si el ángulo de ataque del viento es demasiado grande, y es por esto por lo que deberán estar alabeadas, con el objetivo de conseguir un ángulo de ataque óptimo a lo largo de toda la pala.
¿Cómo se regula la potencia en los aerogeneradores?
El sistema de regulación de potencia se localiza en el rotor, concretamente en las palas. Este sistema se utiliza para regular la potencia y de esta forma cuidar la integridad del aerogenerador.
Existen tres maneras de regular la potencia de salida:
Passive Stall:
Las turbinas operan a una velocidad de giro fija con las palas no regulables. Se suele definir como un sistema de regulación de potencia por entrada en pérdida aerodinámica pasiva llamado “stall controlled”. Las palas se encuentran rígidamente fijadas al buje y no cambian su ángulo de posición. El perfil de las palas ha sido diseñado aerodinámicamente para que cuando la velocidad del viento sea demasiado alta, cree unas turbulencias que frenan la velocidad de giro.
Active Stall:
Los aerogeneradores operan a una velocidad de viento fija con palas regulables. Se puede controlar la pérdida aerodinámica girando la pala, formando turbulencias en el extremo posterior de la pala. Este sistema puede ser usado para controlar la energía.
Pitch:
Las turbinas funcionan a una velocidad de giro varibales o constante. Es un sistema de regulación de potencia por cambio de “pitch controlled”. Con este sistema, las palas pueden girar individualmente sobre su eje. Si el viento es muy fuerte, se giran las palas al contrario de la dirección del viento, reduciendo la sustentación o empuje, y permitiendo que el rotor continúe generando su potencia nominal, aunque las velocidades de viento aumenten.
¿Cómo es el sistema de cambio de paso de las palas?
El sistema de cambio de paso de las palas puede estar basado en un mecanismo con accionamiento hidráulico o en un mecanismo piñón-engranaje con accionamiento eléctrico.
EJE
El eje es el elemento de transmisión de la energía mecánica hacia dentro de la góndola. En los aerogeneradores podemos encontrar un eje de baja velocidad, directamente conectado al buje, que se encuentra después de la caja multiplicadora, que adapta la velocidad a la del generador eléctrico.
GÓNDOLA
La góndola contiene los componentes clave del aerogenerador, incluyendo el multiplicador y el generador eléctrico. Encontramos los siguientes elementos.
MULTIPLICADOR
El multiplicador es una caja de engranajes que transforma una baja velocidad de giro y alta potencia del eje principal en una velocidad de giro adecuada para el funcionamiento del generador a costa de la potencia. El giro se transmite del multiplicador a el motor mediante el eje secundario, de menor diámetro que el eje principal, de forma similar a como ocurría entre el rotor y la caja de engranajes con el eje principal.
TREN DE POTENCIA
El tren de potencia es el encargado de transmitir la energía producida por el giro del rotor al generador para la generación de energía eléctrica. Está formado por el eje principal, caja multiplicadora y eje secundario. El eje principal es una pieza tubular de acero macizo de gran diámetro, unido solidariamente al rotor y que gira a velocidades de entre 19 a 30 r.p.m. (aunque para las turbinas marinas suelen girar a menores velocidades) según el modelo de aerogenerador y las condiciones de operación. Sin embargo, un generador eléctrico necesita velocidades de giro de entorno a las 1500 r.p.m. por lo que es necesario un multiplicador que aumente la velocidad de giro transmitida.
GENERADOR
El generador o alternador eléctrico es una máquina que se utiliza para transformar la potencia mecánica del tren de potencia en energía eléctrica. Generalmente, la energía producida a la salida del generador se realiza a una tensión de 690 V, y es por este motivo por el que suele existir un transformador eléctrico en la góndola del aerogenerador o en la base de la torre para elevar la tensión y reducir pérdidas en el transporte de la energía. Según el tipo de generador eléctrico, asíncrono o síncrono, la góndola puede tener diferentes configuraciones.
¿Qué más partes imprescindibles tiene un aerogenerador?
ANEMÓMETRO
Aparato que mide la velocidad del viento en todo momento. Estos datos de velocidad de viento se envían al controlador, que registran los datos y actúa en consecuencia sobre el freno si fuera necesario. Las señales del anemómetro son utilizadas por el controlador para conectar el aerogenerador cuando la velocidad de viento alcanza los 5 m/s, y también para pararlo si la velocidad del viento es superior a 25 m/s.
MOTOR DE ORIENTACIÓN
Se encarga de hacer girar la corona de orientación en función de la dirección del viento. Este mecanismo está controlado en todo momento por el controlador, que recibe las señales de la veleta y se encarga de orientar el aerogenerador en función de esas señales de dirección del viento.
VELETA
Detecta la dirección en la que sopla el viento. Este apartado manda los datos al controlador para que este actúe sobre el motor de orientación en consecuencia.
CONTROLADOR
El controlador es un ordenador que monitoriza las condiciones del aerogenerador y, en función de estas, controla el mecanismo de orientación del aerogenerador. Si ocurriese cualquier problema en la turbina, el controlador para el aerogenerador y llama al ordenador del operario encargado de la turbina a través de enlace telefónico mediante modem. Además, se encarga de poner en marcha el electrofreno y fuese necesario y actúa sobre el motor de orientación de la turbina según la dirección del viento. La veleta y el anemómetro son los encargados de enviarle la información necesaria para su funcionamiento.
CORONA DE ORIENTACIÓN
La corona de orientación es una rueda dentada que engrana con al del motor de orientación, y es la encargada de hacer girar la góndola para que este quede en dirección paralela al viento.
¿Cuáles son algunas de las partes críticas de un aerogenerador?
El bastidor delantero es una pieza crítica ya que soporta toda la maquinaria del aerogenerador, debiendo transmitir estos esfuerzos hacia la torre a través del sistema de orientación. Normalmente se fabrican mecanosoldados con acero o de fundición de acero esferoidal.
El bastidor trasero es una pieza mucho menos crítica, mecanosoldada en acero S-275 o S-355. Se debe asegurar cierta rigidez para evitar que amplifique vibraciones de maquinaria y facilitar el transporte.
ELECTROFRENO
Sistema que reduce las revoluciones del rotor cuando se requiere. Suele actuar ante una velocidad de viento demasiada alta, y existe riesgo de rotura del rotor o las aspas. Está controlado por el controlador.
EL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN
Sistema encargado de refrigerar el generador eléctrico. Contiene un ventilador eléctrico para enfriar el generador, además de una unidad refrigerante por aceite para enfriar el aceite del multiplicador.
¿Cómo son las torres de un aerogenerador?
La torre es una estructura donde se sustenta el conjunto del aerogenerador. Las torres de los grandes aerogeneradores están construidas mediante tramos tubulares, de acero, en secciones de 20 a 30 metros, con bridas, atornilladas a cada uno de sus extremos, que son pernos unidos “in situ”. Las torres son tronco cónicas con diámetro decreciente a medida que aumentamos en altura, con el objetivo de aumentar su resistencia y también ahorrar material.
Las torres pueden ser de celosía, como las torres eléctricas de alta tensión, o tubulares. Ambos tipos de torres presentan ciertas ventajas: las tubulares, son más seguras para el personal de mantenimiento al estar resguardado en el interior de la torre, e incluso las hay con ascensor para subir a la parte de arriba del aerogenerador, las de celosía, son más económicas.
El precio de la torre de la turbina eólica supone un 20% del coste total de la turbina. Su tamaño depende directamente del tamaño total de las palas y la potencia del aerogenerador.
En eólica marina, la torre del aerogenerador comienza desde la pieza de transición de la cimentación. Esta pieza, se encuentra a varios metros de altura del nivel del mar y es en la que se instala la torre del aerogenerador.
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