Los aerogeneradores: tipos, componentes principales y tendencias tecnológicas

Los aerogeneradores

La energía eólica se ha convertido en una fuente importante de energía renovable para la generación de electricidad. Este documento explora los diferentes tipos de aerogeneradores, sus componentes principales y las tendencias actuales en la tecnología eólica. Desde los tipos de turbinas hasta los sistemas de control y seguridad, examinaremos en detalle cómo funcionan estas máquinas que aprovechan la fuerza del viento para producir energía limpia.

Tipos de turbinas eólicas

Las turbinas eólicas se clasifican según varios criterios, incluyendo su potencia, la disposición del eje del rotor y su posición respecto al viento. Existen desde micro-aerogeneradores de menos de 1 kW hasta turbinas de muy alta potencia que superan los 3 MW, utilizadas en grandes parques eólicos terrestres y marinos.

Eje horizontal

Incluyen el multipala americano y los aerogeneradores de parque eólico. Son los más comunes en la producción de energía a gran escala. Vestas

Eje vertical

Comprenden diseños como el Darrieus, Panémona y Savonius. Son menos comunes pero pueden ser útiles en ciertas aplicaciones.

Tipos de turbinas eólicas

Las turbinas eólicas se clasifican según varios criterios, incluyendo su potencia, la disposición del eje del rotor y su posición respecto al viento. Existen desde micro-aerogeneradores de menos de 1 kW hasta turbinas de muy alta potencia que superan los 3 MW, utilizadas en grandes parques eólicos terrestres y marinos. C

Posición del rotor

Pueden ser a barlovento (el viento incide primero en las palas) o a sotavento (el viento pasa primero por la góndola). Barlovento Sotavento

Principales ángulos del rotor horizontal

Los diferentes ángulos de las turbinas juegan un papel primordial en su control y regulación. Los principales ángulos que es necesario conocer son:

• Ángulo de guiñada, también conocido como ángulo de yaw
• Ángulo de paso, también conocido como ángulo de pitch. Se emplea para el conocido como control activo de pitch mediante sistemas hidráulicos o eléctricos
• Ángulo de inclinación
• Ángulo de abatimiento/conicidad
• Ángulo de calado, este ángulo está relacionado con la velocidad de giro del aero, la velocidad del viento y el tamaño del rotor.

giro de orientación (ángulo de guiñada) ángulo de conicidad ángulo de inclinación giro de pala (ángulo de paso ) T ángulo de batimiento

Principales ángulos del rotor horizontal

Ángulo de calado

Perno de centrado de la palMP5

Clasificación por número de palas

Los aerogeneradores se pueden clasificar según el número de palas que tienen en su rotor. Esta característica afecta tanto a su eficiencia como a su estabilidad y apariencia visual.

1. Monopala Tienen una sola pala y un contrapeso. Son poco comunes debido a problemas de equilibrio y ruido.
2. Bipala Con dos palas, ofrecen un buen compromiso entre eficiencia y costo, pero pueden sufrir de inestabilidad en ciertas condiciones.
3. Tripala Es el diseño más común en grandes aerogeneradores, ofreciendo buena estabilidad y eficiencia.
4. Multipala Con más de tres palas, se usan principalmente en turbinas pequeñas o para aplicaciones específicas como bombeo de agua.

Configuración tradicional

Configuración actual ELECTRICAL CIRCUITRY PITCH CONTROLLER BLADES BLADE JOINT ROTOR GENERATOR ROTOR SHAFT NACELLE YAW DRIVE -TOWER

Configuración del tren de potencia

La configuración del tren de potencia en un aerogenerador determina cómo se transmite la energía mecánica del rotor al generador eléctrico. Existen dos configuraciones principales:

1. Configuración tradicional Uso de una multiplicadora combinada con un generador síncrono. El empleo de un generador síncrono complica la absorción de los "golpes de viento" haciendo sufrir a la cadena cinemática del tren de potencia.
2. Configuración actual En la actualidad se emplea una multiplicadora combinada con un generador asíncrono. Esto ofrece la ventaja de contar con un deslizamiento que permite absorber los "golpes de viento".
3. Tendencia actual Hay una creciente tendencia hacia el uso de generadores (síncrono) de imanes permanentes, que ofrecen mayor eficiencia y menor tamaño para la misma potencia.

Velocidad de giro del rotor

La velocidad de giro del rotor es un factor crucial en el diseño y operación de los aerogeneradores. Se clasifican en tres categorías principales según su capacidad de variar la velocidad de rotación:

Velocidad Fija

El rotor gira a una velocidad constante, con variaciones mínimas. Es común en turbinas más pequeñas y antiguas.

Velocidad Semifija

Permite pequeñas variaciones en la velocidad, generalmente menos del 10%. Utiliza generadores asíncronos con resistencias en el rotor.

Velocidad Variable

Permite grandes variaciones en la velocidad del rotor, superando el 10% de deslizamiento. Es común en turbinas modernas de gran potencia.

Velocidad característica

2 = 2(2) Vhub

Máquinas lentas

Las aeroturbinas lentas se caracterizan por tener una À pequeña y gran número de palas. Tienen un gran par de arranque. gracias al cual pueden ponerse en marcha incluso con velocidades de viento muy bajas. Su baja velocidad de rotación hace que sean poco útiles para la producción de electricidad, siendo su uso más frecuente para el bombeo de agua.

Máquinas rápidas

Las aeroturbinas rápidas tienen un À alta y el número de palas tiende a ser menor. Suelen ser tripalas À ~ 5 y en algunos casos bipalas À ~ 10, habiéndose diseñado y construido, incluso, aeroturbinas con una sola pala. 60 Rendimiento ideal 50 Rendimiento aerodinámico Bipala 40 30 Darrieux Multipala 20 10 Molino holandés de 4 palas Savonius | 1 TSR 0 1 2 345 6 7 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0,6 0,5 0,4 Cp 0,3 7 0,2 0,1 0,0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Arrastre Empuje ascensional

Rendimiento aerodinámico

0,4 Tripala 0,3 0,2 0,1 9 TSR 1

Veleta

Conicidad del Rotor

10

Rotor Auxiliar

Sistemas de orientación

Los sistemas de orientación son cruciales para mantener el rotor de la turbina enfrentado al viento, maximizando la eficiencia y reduciendo las cargas estructurales. La primera clasificación que podemos hacer de los sistemas de orientación es si se cuenta con un sistema de orientación pasivo (limitado a máquinas a sotavento) o un sistema de orientación activo (máquinas a barlovento). Dentro de los sistemas de orientación activos, existen varios métodos de orientación:

Veleta

Utiliza una superficie plana que orienta la turbina en la dirección del viento.

Conicidad del Rotor

La forma cónica de las palas ayuda a la auto-orientación de la turbina.

Rotor Auxiliar

Pequeños rotores adicionales ayudan a orientar la turbina principal.

Servomotores

Motores eléctricos controlan la orientación basándose en sensores de dirección del viento.

Potencia

800 kW 600 400 Stall Control 200 5 10 15 20 25 30 Velocidad del viento v (m/seg) Potencia 800 kW 600 Pitch Control 400 200 5 10 15 20 25 30 Velocidad del viento v (m/seg) Potencia 2000 kW 1500 1000 Active stall control 500 5 10 15 20 25 30 Velocidad del viento v (m/seg)

Sistemas de regulación de potencia

Los sistemas de regulación de potencia son esenciales para controlar la producción de energía y proteger la turbina en condiciones de viento fuerte. Existen tres sistemas principales:

1. Paso Fijo (Stall) Las palas están fijas y diseñadas para entrar en pérdida aerodinámica a altas velocidades de viento, limitando la potencia.
2. Paso Variable (Pitch Control) Las palas pueden girar sobre su eje longitudinal para ajustar el ángulo de ataque y controlar la potencia.
3. Pérdida Activa (Active Stall) Combina características de los dos sistemas anteriores, ajustando las palas para inducir la pérdida aerodinámica de forma controlada.

Aerofrenos en punta de pala

En los primeros modelos de aerogenerador se empleaban los aerofrenos de punta de pala para realizar un control de la potencia. Este sistema se encuentra en desuso. 2

Componentes principales

Los principales componentes que podemos encontrar dentro de un aerogenerador son:

• Grandes componentes:
• Torre
• Góndola
• Buje
• Palas
• Obra civil: cimentación
• Tren de potencia:
• Eje lento
• Multiplicadora
• Freno
• Eje rápido
• Generador
• Componentes eléctricos: generador, celda del transformador, transformador, cables de potencia, convertidores electrónicos ...
• Elementos de regulación: anemo-veleta, corona dentada con el motorreductor, mecanismo de cambio de ángulo de paso ...
• Componentes auxiliares: grupo hidráulico, elevador, sistema de refrigeración ...

freno generador multiplicador eje rápido -1- - eje lento buje motorreductor corona dentada 1 generador eléctrico pala góndola 3 freno de disco 4 caja multiplicadora 5 cojinete anemo-veleta 6 eje de baja 1 mecanismo de cambio de paso 8 rodamiento corona 9 estructura soporte 10 motores de orientación 11 grupo hidráulico (12 Covertidores electrónicos 2 3 4 12 5 6 transformador torre Q 7 cimentación celda de transformación 8 11 1 (9 10 2 eje de alta buje cables de potencia

Componentes principales

Buje

Veleta y anemómetro

Eje del baja

Multiplicador

Grupo hidráulico

Motoreductor

Eje de alta

Freno de disco

Corona dentada

Palas

Generador

Torre

Componentes principales

La obra civil juega un papel primordial en el correcto funcionamiento de un aerogenerador.

Componentes principales

El correcto diseño del resto de componentes también es importante.

Componentes principales: Palas

Las palas son componentes críticos de un aerogenerador, responsables de capturar la energía del viento. Su diseño y materiales han evolucionado significativamente:

1. Perfil aerodinámico Similar al de las alas de avión, pero adaptado para la rotación constante.
2. Materiales Su estructura interna es de madera. Sin embargo, su parte externa está generalmente fabricada con una mezcla de fibra de vidrio y resina. AM
3. Estructura Compuestas por dos valvas unidas, con o sin una viga estructural interna.
4. Innovaciones Uso creciente de materiales avanzados como aramidas (Kevlar) para mejorar la resistencia y reducir el peso.

Componentes principales: Multiplicadora

La multiplicadora es un componente crucial en muchos diseños de aerogeneradores, aunque algunas configuraciones modernas prescinden de ella. Su función principal es aumentar la velocidad de rotación del eje principal para adaptarla a la velocidad requerida por el generador.

Tipo

Características

Ventajas

Planetaria

Alta relación de Compacta, eficiente multiplicación en poco espacio

Helicoidal

Menor ruido, mayor Operación suave eficiencia

Híbrida

Combina etapas Versatilidad, alta planetarias y relación helicoidales