Partes de un Aerogenerador
Por
Santiago García Garrido
Director Técnico RENOVETEC
Debido a que para el aprovechamiento energético
de la fuerza del viento en uso comercial se utilizan su inmensa mayoría
aerogeneradores de eje horizontal tripalas, será sobre este diseño sobre el que
nos volcaremos en el presente artículo. Centrándonos siempre en el diseño
típico que se utiliza en la actualidad para este tipo de aerogeneradores.
Torre:
La torre es la estructura que soporta a una
determinada altura al mecanismo productor de electricidad del aerogenerador. Al
elevar los componentes se consigue un aprovechamiento mayor de la fuerza del
viento, pues a una mayor altura sobre el nivel del suelo mayor será su
velocidad, y por lo tanto, también la velocidad de rotación de las palas. Su
diseño suele consistir en un tronco cónico o tubular hueco de acero, en cuyo
interior se alojan los equipos accesorios de suelo y se facilita un acceso
seguro mediante una escalera a la góndola.
Góndola:
Es el chasis principal del aerogenerador, se
sitúa en la parte superior de la torre y en su interior se encuentran los
elementos eléctricos y mecánicos necesarios para convertir el giro del rotor en
energía eléctrica. Se encuentra unida a la torre por una corona dentada para
permitir la orientación del rotor al viento, y rotor y las palas por el eje
principal que transmitirá la fuerza del viento al multiplicador y al motor
sucesivamente. En su parte exterior lleva instalado un anemómetro y una veleta
conectados a los sistemas de control de aerogenerador, y unos respiraderos para
garantizar la refrigeración del motor. Se construyen en acero forjado y placas
de fibra de vidrio.
Rotor:
Se encuentra unido al eje principal para la
transmisión del giro, y se puede dividir en 3 partes diferenciadas.
Nariz: Es un
elemento aerodinámico que se sitúa en frente de la dirección de viento
sobresaliendo de la zona de unión entre las palas y el buje. Su misión consiste
en re direccionar el viento de la parte frontal del rotor a los respiraderos de
la góndola y a la vez evitar turbulencias en la parte frontal del rotor.
Buje: Es la
pieza de unión entre las palas y el eje principal, y por lo tanto el transmisor
de la fuerza del viento al interior de la góndola. La unión al eje debe ser de
forma rígida, pero con las palas pueden darse dos caso. El primero si es un
generador de tres palas, en cuyo caso la unión a las palas debe comportarse
también rígidamente, en el caso de aerogeneradores bipala es necesario que la
unión entre palas y buje permita una ligera oscilación de hasta tres grados
respecto al plano normal del eje de rotación.
Palas: Las palas
deben suelen ser fabricadas con materiales con gran resistencia estructural y a
la fatiga para su correcto funcionamiento a lo largo de los 25 años de vida
media que se supone a los aerogeneradores, teniendo en cuenta que estarán
afectados de inclemencias climáticas, fuerte vientos y en los casos de
aerogeneradores offshore a salinidad. Además deben ser fácilmente mecanizables
para dotarlas de un diseño aerodinámico que minimice las cargas sobre el resto
de la estructura y capte eficazmente la fuerza del viento. Los materiales
empleados para cumplir todas estas premisas son materiales compuestos de fibra
de vidrio y epoxis o poliéster, fibra de carbono etc.
Tren de potencia:
Es el encargado de transmitir la energía
producida por el giro del rotor al motor de un forma aprovechable por este 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 22 y
64 rpm, según el modelo de aerogenerador y las condiciones de operación. Sin
embargo un motor estándar de generación eléctrica necesita velocidades de giro
de entorno a las 1500 rpm, por lo que es necesario un multiplicador que aumente
la velocidad de giro transmitida. El multiplicador es una caja de engranajes
que convierte la baja velocidad de giro y alta potencia del eje principal en
una velocidad de giro adecuada para el funcionamiento del motor 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..
Generador:
El generador convierte la energía mecánica
producida por el rotor en energía eléctrica. Suelen utilizarse generadores
asíncronos de jaula de ardilla, junto con baterías de condensadores para
mejorar su factor de potencia. La conexión a la red puede ser directa o
indirecta a la red, dependiendo si la turbina trabaja a velocidad constante o
variable. Trabajando conectado de forma indirecta a la red conseguimos
aprovechar los picos de velocidad del viento, pero el generador produce energía
de frecuencia variable por lo que se necesitan equipos de adecuación para
volcar la energía en la red. En la forma directa de conexión, la propia red
limita la velocidad de giro del generador, por lo que no aprovecha los picos de
mayor energía del viento.
Sistemas de control:
Los sistemas de control en un aerogenerador
tienen dos importantes cometidos, el primero es el aprovechamiento máximo de la
fuerza del viento mediante la orientación del rotor, el segundo es la
protección del aerogenerador ante velocidades de viento que podrían dañar la
instalación.
Para el cometido de la orientación el
aerogenerador cuenta con equipos anemométricos y de medida de la dirección del
viento instalado sobre la góndola. Los datos recogidos pasan al ordenador de
control que según un algoritmo determinado decidirá como deberá mover la
góndola gracias al sistema de corona dentada y motor de giro instalados en la
base de la góndola en su unión con la torre. Es necesario aclarar que el
control sobre la orientación del rotor no se realiza a tiempo real, si no que
el algoritmo, con los datos recogidos, debe ser capaz de garantizar que
realmente el viento a cambiado de dirección de forma estable, antes de que se
produzca el giro de la góndola, ya que en caso contrario daría lugar a un
movimiento errático del sistema que reduciría su eficiencia.
En los casos que el viento ha superado la
velocidad nominal de trabajo, en la que se alcanza la máxima potencia producida
por el equipo, y llega a la velocidad de parada, existen tres métodos de
control, para evitar que puedan producirse daños.
Activo: Mediante un
dispositivo mecánico las palas giran el perfil enfrentado al viento cambiando
su aerodinámica, por lo que para velocidades mayores de viento para las que
están diseñadas a trabajar de forma óptima, aprovechan en menor medida,
mediante el cambio de ángulo, la velocidad del viento, y la potencia suministrada
y cargas inerciales permanecen en un rango de trabajo apropiados. Es el método
más caro pero también es el que ofrece un mejor control.
Pasivo: En este
caso las palas no poseen ningún tipo de mecanismo de variación del ángulo
ofrecido al viento, si no que permanecen fijas al rotor en todo momento. En su
lugar, las palas con este mecanismo de control se diseñan de tal manera que
para velocidades demasiado elevadas del viento se producen turbulencias en la
parte de la pala de baja presión, por lo que la diferencia de presiones entre
un lado y otro de la pala disminuye. Es decir, pasado un límite de velocidad
del viento, este disminuye la fracción de energía transmitida al movimiento de
las palas por las turbulencias ocasionadas, rebajando la velocidad de giro del
rotor. Este método de control es mucho más económico, pero menos exacto y
eficiente que el activo, aún así, alrededor de dos tercios de los
aerogeneradores instalados hoy en día utilizan este método.
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