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3.1. CLASIFICACIN DE LOS SISTEMAS ELICOS

3.1.1. Introduccin

Las aplicaciones de la energa elica pueden agruparse en tres bloques principales:

produccin de energa elctrica,

transformacin en trabajo y

otras aplicaciones industriales.

La primera de stas es la ms extendida y la que ms se est utilizando en la actualidad, tanto para sistemas conectados a la red como para sistemas aislados de la misma. En cuanto al bombeo de agua se puede decir que tuvo su apogeo en el siglo XIX, aunque sigue utilizndose actualmente.

Hoy da se est extendiendo su uso para esta aplicacin en pequeas aeroturbinas que inicialmente generan energa elctrica y posteriormente alimentan una bomba de pozo.

Estas aplicaciones bsicas, se pueden llevar a cabo con sistemas de baja, media y alta potencia. Se entiende por pequea potencia aquellas mquinas elicas que suministran una potencia inferior a los kW, como media potencia mquinas de una potencia nominal de algunos cientos de kW y como gran potencia aquellas que son capaces de alcanzar el rango unitario del megavatio.

3.2. SISTEMAS DE BAJA POTENCIA

Son mquinas pequeas que se utilizan para alimentar cargas que estn alejadas de las redes elctricas convencionales. Tpicamente, se combinan con bancos de bateras para almacenar la electricidad que generan y poder acoplar en el tiempo la generacin con la demanda. En el mercado actual se ofrecen con una capacidad unitaria inferior a 35 kW pero se pueden integrar arreglos con varias unidades para suministrar energa elctrica a cargas mayores (por ejemplo, para electrificacin rural). Con frecuencia, este tipo de aerogeneradores se combinan con generadores diesel para proveer una funcin de respaldo y, dependiendo de las necesidades de suministro de electricidad y de la disponibilidad de los recursos energticos no convencionales, se pueden combinar tambin con sistemas fotovoltaicos, microturbinas hidrulicas y otros, dando lugar a combinaciones que se conocen como sistemas hbridos.

La energa elica de baja potencia se ha presentado en los ltimos aos como una verstil y econmicamente rentable solucin a muchos problemas, tanto de abastecimiento de energa elctrica en zonas aisladas, como de alimentacin de bombas de extraccin de agua en pequeos pozos aislados.

En su aplicacin para suministro de energa elctrica, estos sistemas ofrecen un abastecimiento totalmente autnomo, y con una calidad de la

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electricidad muy alta, incluso superior a la que ofrece la red elctrica, ya que con estas instalaciones, cada usuario consume la energa directamente de su generador de seal, sin que existan otros usuarios cuyos consumos puedan influir en la calidad de la energa que entra en la propia vivienda.

Para dar un ejemplo ms ilustrativo sobre las instalaciones de energa elica de pequea potencia, se puede mencionar el aerogenerador Vento 5000 de Windeco Tecnologa Elica, empresa ubicada en la Regin de Murcia, Espaa, dedicada al desarrollo y construccin de aerogeneradores de baja potencia. Sus modelos de la serie Vento son unos de los aerogeneradores elicos de pequea potencia ms modernos y avanzados.

El Vento 5000 consiste en un aerogenerador tripala que acciona un alternador de corriente alterna sncrono de imanes permanentes de 5 kW de potencia, directamente acoplado al rotor de la elica. El aerogenerador posee un sistema de orientacin automtica, especialmente diseado para conseguir una sensible timonacin ante rachas de viento de bajas velocidades.

Este mismo sistema de orientacin ejerce el papel de sistema primario de proteccin ante velocidades elevadas de viento, ya que cuando las velocidades de viento se acercan a valores demasiado elevados para el buen funcionamiento de la mquina, este sistema produce la progresiva desorientacin del aerogenerador que lo lleva a dejar de funcionar.

Aerogenerador de baja potencia Vento 5000 de Windeco Tecnologa Elica.

Figura 3 - 1

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El equipo del aerogenerador se compone adems de un segundo sistema de seguridad, que consiste en un conjunto de resistencias de frenado y un regulador de carga, que desva hacia el conjunto de resistencias los excedentes de energa que las bateras de la instalacin no pueden asumir, evitndose de este modo que el aerogenerador tenga que quedar funcionando en vaco y por tanto girando a velocidades peligrosamente elevadas, en los periodos de tiempo en que las bateras presentan elevados niveles de carga. Otro elemento que incorpora la aeroturbina, es el conjunto de transformador y rectificador de corriente que posibilita la carga de bateras, el control y monitorizacin de los parmetros de funcionamiento de un conjunto de paneles solares fotovoltaicos y un grupo electrgeno, los cuales pueden hacerse necesarios, como apoyo al aerogenerador, en aplicaciones que requieran elevados consumos, o en zonas que presenten regmenes de viento muy inestables a lo largo del ao.

3.2.1 Generacin de energa elctrica con acumulacin en bateras

Adems del aerogenerador y su correspondiente equipo, una instalacin de suministro de energa elctrica con acumulacin en bateras, nicamente requiere de un banco de bateras, capaz de almacenar la energa que garantice la continua cobertura de las necesidades de consumo de la instalacin y un conjunto rectificador-transformador, que convierta en corriente alterna a 220 V, la corriente suministrada por las bateras al punto de consumo.

Estos equipos se encuentran ya suficientemente desarrollados, pues son similares a los utilizados en las instalaciones solares fotovoltaicas.

Esquema de instalacin elica de baja potencia con acumulacin Figura 3 - 2

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3.2.2. Instalaciones de bombeo

En el caso de la aplicacin de una instalacin para bombeo de agua, la instalacin consistir en el aerogenerador, su equipo de regulacin y monitorizacin y una bomba de desplazamiento positivo especialmente adaptada para funcionar directamente conectada al equipo de regulacin del aerogenerador.

3.2.3. Generacin de energa elctrica con conexin a red

Adems de las dos soluciones de abastecimiento de energa citadas anteriormente, los aerogeneradores de pequea potencia tambin ofrecen la posibilidad de realizar instalaciones con conexin a red. La finalidad de stas es la de vender, a la empresa suministradora de energa elctrica, la energa producida por la instalacin, lo que permite obtener reducidos periodos de amortizacin de las inversiones realizadas.

Esquema de instalacin elica de baja potencia para bombeo de agua Figura 3 - 3

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Estas instalaciones constan del aerogenerador, su equipo completo de transformacin y rectificacin de la energa elctrica y un inversor especial de conexin a red, el cual convierte en alterna senoidal de 230 V eficaces, la tensin de la energa producida por el aerogenerador, para que de este modo pueda ser vertida a la red.

Finalmente la instalacin constar de un contador de energa que registrar la energa que la instalacin vierte a la red.

TABLA 31 CARACTERSTICAS DE LOS AEROGENERADORES

DE BAJA POTENCIA VENTO

CARACTERSTICAS TCNICAS

VENTO 5.000 VENTO 25.000

Potencia elctrica 5.000 W 25.000 W

Dimetro rotor 5 m. 12 m.

Nmero de palas 3 3

Peso 155 kg. 275 Kg

Tipo de generador Asncrono Asncrono

Velocidad de arranque 2,5 m/s 2,5 m/s

Velocidad de desorientacin 22 m/s 22 m/s

Sistema de desorientacin Eje vertical desplazado Eje vertical desplazado

Sistema de orientacin Timn de cola sobreelevado Timn de cola sobreelevado

Esquema de instalacin elica con conexin a red Figura 3 - 4

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3.3. SISTEMAS DE MEDIA POTENCIA

Son sistemas cuya potencia media ronda los 150 kW y tambin tiene como principales aplicaciones la generacin de energa elctrica y el bombeo de agua. La generacin de energa elctrica en estos sistemas se aplica a colectividades mayores, y como el problema del almacenamiento es mayor, solo cabe su utilizacin como fuente complementaria conectada a la red principal o bien en combinacin con un motor diesel para abastecer una pequea red local. El bombeo de agua con una potencia puesta en juego mayor no presenta problemas si se dispone de depsitos adecuados.

3.4. SISTEMAS DE GRAN POTENCIA

Son mquinas de gran tamao que se conectan a una red elctrica convencional para alimentar cargas especficas de capacidad importante o para construir centrales eoloelctricas. Los tamaos, en cuanto a produccin de potencia se refiere, oscilan entre 300 kW y 2.500 kW. A pesar de los distintos conceptos de aeroturbinas ensayados, os que actualmente se imponen por su grado de madurez tanto en aspectos tcnicos como econmicos son los de eje horizontal. A continuacin se describir este tipo de sistemas.

3.4.1. Elementos bsicos

Los subsistemas principales que integran un aerogenerador de eje horizontal se listan a continuacin:

Rotor.

Tren de potencia.

Generador elctrico.

Subsistema de orientacin al viento.

Subsistema de regulacin de potencia.

Subsistemas de seguridad.

Chasis principal o gndola.

Torre.

Para transformar la energa elica en electricidad, un aerogenerador capta la energa cintica del viento por medio de su rotor aerodinmico y la transforma en energa mecnica en el eje de rotacin. La energa mecnica se transmite al generador elctrico.

En general, el rotor aerodinmico est formado por un conjunto de dos o tres alabes, palas o aspas. Por razones de diseo estructural y aerodinmico, para

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mquinas entre 300 y 1.500 kW, la velocidad en el extremo de la pala se limita a valores entre 42 y 86 m/s (64 m/s en promedio), lo que se traduce en velocidades angulares entre 19 y 65 r.p.m. (34 r.p.m. en promedio). Por lo tanto, si se usan generadores elctricos convencionales que operan a velocidades nominales altas (1.200,1.800 r.p.m.), es necesario utilizar una caja de engranes multiplicadora para efectuar el acoplamiento.

Otro de los sistemas necesarios para captar el mximo de energa es el sistema de orientacin. En efecto, si la direccin del viento no es perpendicular al plano del rotor la energa obtenida se ve penalizada. Para conseguir dicha orientacin perpendicular, la gran mayora de los aerogeneradores comerciales utilizan sistemas activos basados en servomecanismos, aunque tambin los hay controlados aerodinmicamente.

En funcin de las condiciones de viento existentes el rango de operacin de un aerogenerador variar. Este rango ser funcin de la relacin eficiencia-resistencia-costo. Por ello, es imprescindible limitar su velocidad de rotacin y su potencia de salida a niveles que no pongan en riesgo su integridad fsica. Los mtodos que se emplean van desde diseos pasivos (palas fijas diseadas para abatir aerodinmicamente la velocidad angular del rotor a partir de una velocidad del viento especfica), hasta el uso de servomecanismos para controlar el ngulo en que el perfil aerodinmico de las palas se presenta al viento (paso variable). Los aerogeneradores cuentan con dos o ms subsistemas de seguridad enfocados a minimizar la ocurrencia de fallos que pudieran traducirse en dao a los humanos, as como a salvaguardar la integridad fsica del equipo.

Con el fin de coordinar los grandes parques elicos destinados a la produccin de electricidad a gran escala es necesario un sistema electrnico de control y adquisicin de datos conocido frecuentemente como SCADA. El control de los parmetros operacionales de cada aerogenerador se lleva a cabo en el mbito local de la mquina.

El chasis principal o gndola es una estructura metlica donde se monta el tren de potencia, el generador elctrico, las mordazas del freno y, en su caso, las unidades hidrulicas. Recibe las cargas del rotor a travs del tren motor y las transmite a la torre va el subsistema de orientacin.

Como bien es sabido, la superficie terrestre ocasiona una variacin de los vientos en el plano vertical. Es por ello que resulta interesante (para el caso de aerogeneradores de eje horizontal) situar el rotor a una altura considerable respecto al nivel marcado por dicha superficie terrestre. Esta altura ptima resultar de una situacin de compromiso entre el aumento de energa capturada al elevar la altura del rotor y el aumento del coste de la torre. En general, se utilizan torres que alcanzan de 40 a 90 metros de altura.

La potencia proporcionada por un aerogenerador se representa por un grfico denominado curva de potencia, donde se relaciona la potencia elctrica que entrega el sistema con la velocidad del viento a la altura del centro de su rotor.

La grfica 3-1 muestra la curva correspondiente a un aerogenerador de 500 kW de potencia nominal. Este tipo de curvas se utilizan como un dato de entrada para estimar la cantidad de energa elctrica que un aerogenerador

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especfico producira al operar bajo un rgimen de viento dado. La obtencin de la curva de potencia de una aeroturbina est sujeta a un procedimiento experimental estndar fijado por la Comisin Electrotcnica Internacional en la norma IEC-61400-2. Existen centros de prueba especializados en las pruebas de comportamiento de aerogeneradores, tal como los Laboratorios RISO en Dinamarca.

En estas curvas existen cuatro puntos de referencia cuyos valores trascienden en cuanto a la respuesta operacional de los aerogeneradores. Estos puntos son:

Va = velocidad de arranque o inicio: Velocidad del viento a la cual un aerogenerador empieza a producir energa elctrica.

Vn = velocidad nominal: Velocidad del viento a la cual se alcanza el valor nominal de potencia del generador elctrico.

Vs = velocidad de parada o salida: Velocidad del viento a la cual un aerogenerador tiene que ejecutar un paro forzado para no operar por arriba de sus limites mximos de diseo.

Vss = velocidad de supervivencia: La velocidad del viento arriba de la cual el rotor de un aerogenerador puede sufrir daos permanentes a pesar de que se encuentre frenado.

Es importante notar que la curva de potencia de un aerogenerador se obtiene mediante la adquisicin de una considerable cantidad de datos de la velocidad del viento (referida a la altura del centro del rotor) y de la potencia elctrica de salida. Las mediciones se llevan a cabo bajo condiciones de operacin en viento sin perturbar, atendiendo a una serie de recomendaciones en cuanto a la

Curva de Potencia Grfica 3 - 1

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exposicin del aerogenerador al flujo elico para garantizar que los resultados de potencia de la mquina no sean alterados por condiciones locales particulares. Esta etapa del proceso lleva a obtener grficos como el que se muestra parcialmente en la grfica 3-2.

3.5. PARTES DE UN SISTEMA ELICO

Un sistema de generacin elica est formado por otros subsistemas menores que realizan una determinada funcin. En concreto, para las mquinas de gran potencia, que representan el caballo de batalla actual para la generacin eoloelctrica en grandes parques, los principales subsistemas que podemos encontrar se presentan de manera descriptiva en la figura 3-5.

A continuacin se enumeran los diferentes subsistemas principales que constituyen una aeroturbina, para despus pasar a describirlos ms detenidamente.

Rotor.

Caja de engranajes.

Generadores elctricos.

Sistemas de regulacin de potencia y de velocidad.

Sistemas de orientacin.

Sistemas de conexin a red.

Potencia elctrica en funcin de la velocidad del viento (ensayo) Grfica 3 - 2

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Sistemas de seguridad.

Controladores electrnicos locales.

Elementos de acoplamiento mecnico.

Chasis principal.

Torres.

3.5.1. Rotor

Los subsistemas bsicos que constituyen el rotor son las palas o aspas, el cubo y la nariz. Su funcin es convertir la energa cintica del viento en la energa mecnica que se utiliza para impulsar el generador elctrico. El parmetro fundamental que caracteriza el comportamiento de este subsistema es el coeficiente de potencia definido como la relacin entre la potencia mecnica que se desarrolla en su eje y la potencia elica disponible en su rea de barrido.

Alfred Betz calcul un valor mximo terico del 59,26% para este parmetro. Sin embargo, la teora que condujo a este resultado desprecia factores de prdida tales como: la friccin, rotacin de la estela detrs del rotor y prdidas en la cercana de la punta de las palas. En la prctica, estos factores reducen el mximo de Cp a valores cercanos al 50%. Esto significa que un rotor aerodinmico de eje horizontal, en el mejor de los casos de diseo y operacin, slo puede extraer cerca del 50% de la potencia del viento disponible en su rea de barrido.

La fuerza del viento ocasiona que un rotor aerodinmico de eje horizontal gire a una cierta velocidad angular. El flujo elico que incide sobre las palas de un rotor en movimiento (tal y como lo percibira un observador que se moviera con la pala) depende, entre otros factores, de la relacin entre la velocidad lineal de la pala y la velocidad del viento. As, para la geometra global de un rotor, la magnitud adimensional de este elemento est dada por:

V

r=

donde:

= es la velocidad especfica,

= es la velocidad angular del rotor,

r = es el radio del rotor y

V = es la velocidad del viento perpendicular al plano de rotacin, referida al centro del rotor.

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Componentes de un aerogenerador

Figura 3 - 5

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El producto ( x r) es la velocidad de arrastre U en el punto considerado, de modo que:

V

U=

La relacin entre el coeficiente de potencia del rotor (C p ) y depende, entre otros factores, de la geometra del perfil aerodinmico que se selecciona para disear las palas.

La fuerza del viento sobre las palas tambin ocasiona una fuerza perpendicular al plano de rotacin (fuerza axial o de empuje). La reaccin a esta fuerza (igual en magnitud pero en sentido contrario) la experimenta el flujo en la cara viento arriba del rotor, lo cual provoca la disminucin de su velocidad. Este efecto se conoce como induccin axial.

En el caso de un rotor de velocidad de giro alta, con dos o tres palas de conformacin esbelta, este tipo de rotores tienen la ventaja de que, para una potencia dada, el par en el eje principal es relativamente ms bajo, de manera que el tren de transmisin mecnica puede ser menos robusto. Asimismo, la relacin de velocidad necesaria en la caja de engranes es tambin menor. Este tipo de rotores es el que usualmente se utiliza en el diseo de aerogeneradores de capacidad relativamente grande.

En la prctica, los rotores de aerogeneradores modernos para centrales eoloelctricas se disean con valores mximos de de diseo comprendidos entre 8,5 y 9,0 para rotores de dos palas. La limitacin para el valor mximo de tiene que ver con lo siguiente: si la velocidad en el extremo de la pala es mayor que 1/3 de la velocidad del sonido (cerca de 110 m/s) se puede producir un aumento importante de resistencia por efecto de compresibilidad as como un aumento exagerado del ruido aerodinmico.

Coeficiente de potencia Grfica 3 - 3

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a) Palas

Las palas estn fabricadas y diseadas con el fin de alcanzar un balance ptimo en la captacin eficaz de la energa del viento y lograr una mnima carga sobre la turbina, al mismo tiempo que un funcionamiento libre de problemas. Bajo esta afirmacin se identifican distintos conceptos relacionados con el material utilizado. El primero de ellos tiene que ver con la forma de la aeroturbina. El conformado de la pala debe ser el adecuado y por tanto el material debe poder ser tratado y adaptado a la forma idnea sin prdida de propiedades resistentes. Por otro lado se debe conocer el comportamiento del material para las distintas situaciones de carga que se puedan producir.

Las palas de una aeroturbina se disean bajo formas constructivas y con materiales que deben atender principalmente a los requisitos siguientes:

1. Resistencia estructural: Capaces de soportar, sin que se produzca dao, las cargas mximas previsibles de ocurrir durante el perodo de vida de la mquina.

2. Resistencia a fatiga: Capaces de soportar las cargas de fatiga que aparezcan durante la vida de la mquina (25 aos).

3. Rigidez: Desplazamientos inferiores a los mximos permitidos. Rigidez mayor que la mnima necesaria para evitar inestabilidades.

4. Peso: El peso debe ser el mnimo necesario para tener el mnimo coste y minimizar las cargas de tipo inercial y gravitatorio sobre los diversos componentes de la mquina (es crtico en grandes aeroturbinas).

5. Fabricacin: Facilidad de fabricacin que requiera tcnicas y materiales adaptados a la maquinaria y tecnologa existente en la industria.

6. Resistencia a los ambientes medioambientales: Resistencia a la corrosin en ambientes marinos y a la degradacin por la radiacin solar.

7. Minimizar la emisin de ruido acstico: Diseo encaminado a producir el menor impacto acstico para facilitar la instalacin de estos sistemas cerca de sitios habitados.

Por todo esto, el conocimiento y caracterizacin de los materiales a utilizar es paso indispensable a determinar antes de llevar a cabo cualquier diseo. A continuacin realizaremos un barrido de los posibles materiales a emplear en palas de aeroturbinas.

Madera

Ha sido ampliamente usada histricamente en la construccin de palasde rotores propulsoras en aviacin y se utiliza en la actualidad en aerogeneradores de pequeo tamao. Posee indudables ventajas como son su baja densidad, disponibilidad, buenas caractersticas de fatiga, bajo coste y fcil mecanizado, pero aparte de poseer bajas propiedades mecnicas absolutas tiene como desventajas el poseer irregularidades tales como nudos, fibra no rectilnea y la caracterstica de absorber la humedad lo que causa un deterioro en sus caractersticas mecnicas.

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Acero

El acero posee una alta resistencia y mdulo elstico, tenacidad, facilidad de fabricacin mediante soldadura y bajo coste lo que le hara un material apropiado para la construccin de palas de aeroturbinas si no fuera por su gran densidad que aumenta muy desfavorablemente las cargas gravitatorias e inerciales que actan sobre la aeroturbina. Otra de las desventajas del acero es su facilidad para la corrosin, aunque este aspecto puede ser obviado con el adecuado tratamiento o proteccin superficial.

Aluminio

Posee una densidad muy inferior al acero y muy buenas propiedades mecnicas especificas y resistencia a la corrosin, su resistencia a la fatiga es en general baja excepto si se utilizan aleaciones aeronuticas. Las formas constructivas mas utilizadas seran los perfiles continuos fabricados por extrusin o a base de chapas de espesor delgado unidas mediante remaches.

Materiales compuestos

Los materiales compuestos son muy apropiados para la fabricacin de palas de aeroturbinas. Conseguir la adecuada eficiencia aerodinmica de las palas de aeroturbinas supone desarrollar complicadas formas, sumamente esbeltas, de perfiles aerodinmicos con superficies externas muy lisas. Por otro lado, conseguir la adecuada resistencia estructural de las palas para soportar las elevadas cargas producidas durante la vida en servicio de la mquina, requiere palas de gran robustez y resistencia. El material compuesto de fibra de vidrio y polister conjuga unas caractersticas de resistencia elevadas con un mnimo peso y un coste reducido.

Otras caractersticas de estos materiales que los hace muy atractivos para palas es su versatilidad de formas de fabricacin y la posibilidad de ser moldeados con las formas que se deseen, pudindose distribuir la resistencia y espesor de acuerdo a las exigencias del diseo.

Los materiales compuestos de fibra de vidrio tienen tambin como ventaja su bajo coeficiente de dilatacin y conductividad elctrica (buen comportamiento frente a rayos). En cuanto al comportamiento frente a la fatiga de los materiales compuestos, ste es superior al de otros materiales convencionales, aunque no existen an suficientes datos para conocer con todo detalle cul es su resistencia a fatiga sobre todo cuando se une adems la accin de los agentes atmosfricos (agua, hielo, rayos UV).

Entre los inconvenientes que tienen los materiales compuestos para la fabricacin de palas estn:

materias primas todava caras (excepto fibra de vidrio),

necesitan procesos de fabricacin no estndar,

comportamiento estructural no intuitivo,

falta de bases de datos fiables de caractersticas mecnicas.

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Actualmente, a fibra de vidrio se presenta como la alternativa ms atrayente en lo que a conformado de palas de aeroturbinas se refiere. E conocimiento de sus propiedades resistentes y de su comportamiento a largo plazo, deducido de la utilizacin de dicho material en otros campos como el de la construccin de barcos, unido a su relativa ligereza, le confieren a este material las propiedades ms adecuadas para el uso que se busca. La principal lnea de investigacin el la fibra de vidrio consiste en encontrar la orientacin ptima del entramado que conforman las fibras.

La figura 3-6 ilustra el dimetro de los aerogeneradores en funcin de su potencia nominal para el escenario comercial actual. En realidad existen pequeas diferencias respecto a lo que se muestra en dicha figura, debido a diferencias entre las velocidades nominales de diseo, es decir, la velocidad de viento a la cual el aerogenerador alcanza su potencia nominal.

Por ejemplo, comercialmente se ofrecen aerogeneradores de 750 kW con dimetros de 44 m., mientras que simultneamente se ofrecen aerogeneradores de 600 kW con dimetros de 48 m. En este caso, el aerogenerador de 750 kW con un dimetro de 44 m. tiene una velocidad nominal superior a la del aerogenerador de 600 kW con un dimetro de 48 m., y por lo tanto, sus curvas de potencia son diferentes. De ah que, para rangos de capacidad cercanos, una potencia nominal mayor de un aerogenerador no necesariamente implica que ste producir ms energa que otro de menor potencia nominal cuando ambos operan bajo un mismo rgimen de viento. Por lo tanto, la seleccin tcnica de un aerogenerador, en cuanto a produccin de energa, exige el conocimiento detallado del rgimen de viento en el que operar y la aplicacin de metodologas adecuadas.

En el mercado actual se ofertan aerogeneradores de una, dos y tres palas, repartindose el mercado en el 2%,24% y 74% respectivamente. Esta mayor

Tamao de lo rotores elicos Figura 3 - 6

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presencia de los rotores tripala se debe fundamentalmente a que son ms equilibrados al mismo tiempo que producen una menor contaminacin acstica. Se dice que los aerogeneradores de dos palas tienen un costo menor que los de tres palas.

Sin embargo, si bien es cierto que las mquinas de dos palas utilizan una pala tambin lo es que en ellas se producen fuerzas adicionales que se transmiten al cubo del rotor, el eje de baja velocidad, el bastidor, el sistema de orientacin y la torre. Estas fuerzas adicionales se deben, principalmente, a la diferencia entre las cargas por viento que experimentan las palas cuando una de ellas apunta hacia arriba y la otra hacia la base de la torre. Esto conduce a reforzar los elementos estructurales, y por consecuencia, al incremento de su costo. En algunos diseos de mquinas de dos palas se incorporan elementos adicionales para reducir este problema. En aerogeneradores a sotavento la magnitud del problema adquiere dimensiones an mayores, en el momento en que una de las palas pasa por la sombra elica de la torre. Asimismo, este momento flector se incrementa en magnitud a medida que el dimetro de los aerogeneradores es mayor.

b) Cubo o buje

El cubo del rotor es el elemento donde se unen las palas y mediante el cual la potencia captada por el rotor se transmite al eje principal. En funcin de si el rotor est formado por dos o tres palas pueden presentarse dos tipos de buje:

Rgido: para aerogeneradores de tres palas, que consiste en una estructura metlica hueca que tpicamente se construye con base en una fundicin de acero nodular. En este caso, se disea con una geometra que permite un acoplamiento firme de las palas a travs de pernos roscados o cuerdas metlicas embebidas en el material de las palas. En su parte central interior est habilitado para acoplarse rgidamente con el eje principal del aerogenerador.

Basculante: para aerogeneradores de dos palas, el cual permite que las palas se puedan mover, ligeramente, en una direccin perpendicular al plano del rotor. Tpicamente, los cubos basculantes se disean para que permitan un desplazamiento angular de 2,5 respecto al plano normal del eje de rotacin. Esto ayuda a reducir las cargas dinmicas.

c) Nariz

La nariz del rotor es una cubierta frontal en forma de cono que sirve para desviar el viento hacia el tren motor y mejorar la ventilacin en el interior, eliminar turbulencia indeseable en el centro frontal del rotor y mejorar el aspecto esttico.

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3.5.3.Caja de engranajes

En la seleccin o diseo de una caja de engranes para aerogeneradores se busca que tenga una relacin ptima entre su capacidad de carga, su tamao y su peso. Asimismo, deben operar con eficiencia alta y emitir poco ruido.

Por su funcin, las cajas de engranes deben ser fiables y fciles de mantener. Usualmente, la lubricacin en la caja de engranes de un aerogenerador se realiza por salpicadura y solamente se proveen medios para mantener la temperatura del lubricante dentro de los valores recomendados. Durante mucho tiempo se utilizaron cajas de engranes del tipo ejes paralelos. Ahora hay una tendencia a utilizar cajas del tipo planetario porque son ms compactas, pesan menos, emiten menos ruido y en condiciones de carga parcial tienen una eficiencia mayor. Hace 10 aos, las cajas del tipo planetario eran prohibitivas por su costo. Hoy en da, el 57 % de los aerogeneradores con caja de engranes multiplicadora usan del tipo planetario.

Ante la construccin de generadores elctricos de velocidad nominal baja, ha surgido un nuevo diseo constructivo en el que ya no es necesaria la caja multiplicadora. En este caso, el rotor se acopla directamente al generador elctrico. Sin embargo, estos ltimos son de fabricacin especializada y sus dimensiones son relativamente grandes. La compaa M. Torres de Espaa, construye aerogeneradores de ltima generacin, sin caja multiplicadora.

Actualmente, el 95 % de los aerogeneradores comerciales, en el rango de 200 a 3.000 kW, utilizan una caja de engranes en el tren motor y solamente el 5 % tienen un acoplamiento directo.

Caja de Engranajes y Generador Elctrico Figura 3 - 7

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3.5.4. Generadores elctricos

Los generadores elctricos ms utilizados para la configuracin de sistemas elicos han sido los generadores asncronos, aunque con la reduccin de costes en los sistemas elctricos que separan la produccin de energa de la elica con la propia red elctrica estn empezando a colocarse en mayor nmero los sncronos. Tpicamente, los generadores asncronos son motores de induccin que se utilizan en forma inversa hacindolos girar a una velocidad mayor que su velocidad de sincronismo. Cuando a un motor de induccin, conectado a la red elctrica, se le hace girar por encima de su velocidad de sincronismo, mediante la aplicacin de un par motriz en su eje de rotacin, la potencia mecnica aplicada se transforma en energa elctrica.

Fundamentalmente, existen dos tipos de generadores asncronos que se han utilizado para la integracin de aerogeneradores: el tipo jaula de ardilla y el tipo rotor devanado. Los del tipo jaula de ardilla son los ms utilizados debido a que su costo es bajo, requieren poco mantenimiento, son robustos y se pueden conectar directamente (a travs de protecciones y medios de desconexin adecuados) a la lnea elctrica a la que entregarn energa.

Para iniciar la operacin de los aerogeneradores con generadores asncronos, se permite que su rotor gire libremente (con el generador elctrico desconectado de la lnea), hasta que el eje del generador elctrico alcance una velocidad ligeramente mayor que su velocidad de sincronismo. En ese momento, el generador se conecta a la lnea y comienza a producir energa elctrica (de frecuencia igual a la de la lnea). A partir de la velocidad de sincronismo, la magnitud de la potencia elctrica que se entrega a la red aumenta en funcin de la ocurrencia de vientos de mayor intensidad.

En todo el intervalo de operacin normal de un generador asncrono conectado a una lnea elctrica, su velocidad de giro se mantiene limitada por la frecuencia de la lnea. Para elevar la potencia de salida de un generador asncrono desde su valor cero hasta su valor nominal, solo se necesita aumentar la velocidad de giro del rotor en una cantidad menor que 1 r.p.m. Por ello, a los aerogeneradores que utilizan generadores asncronos conectados directamente a la red elctrica se les conoce como sistemas de velocidad constante.

Aerogenerador sin caja multiplicadora Figura 3 - 8

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Una desventaja de estos generadores es que requieren tomar potencia reactiva de la lnea elctrica a la cual estn conectados, lo cual origina un factor de potencia bajo que debe ser mejorado mediante bateras de condensadores.

El generador de induccin de rotor devanado se utiliza con muy poca frecuencia en la integracin de aerogeneradores. Su principal ventaja es la facilidad de implementar mtodos de conexin a lnea ms sencillos y fiables.

Con objeto de incrementar la produccin de energa en los aerogeneradores de velocidad constante, en algunos de los primeros modelos se utilizaron dos generadores elctricos mecnicamente acoplados pero de diferente capacidad y velocidad de sincronismo. El generador de menor capacidad se utilizaba para velocidades de viento bajas y despus se conmutaba al generador de mayor tamao, el cual estaba dimensionado para la potencia nominal del aerogenerador. Este mtodo fue cambiado por el uso de generadores de polos conmutables debido a que esta opcin result ms fiable que su predecesora.

Por su parte, los generadores sncronos no son muy apropiados para integrar aerogeneradores de velocidad constante ya que cuando se conectan directamente a la lnea elctrica resultan un sistema demasiado rgido en cuanto a su relacin par-velocidad.

En aerogeneradores, la velocidad constante tiene la desventaja de originar cargas dinmicas importantes que exigen su construccin con estructuras robustas. Adems, sus rotores trabajan a una eficiencia menor que aquella para la que fueron diseados: a velocidad constante, la relacin de la velocidad de punta de pala a la velocidad del viento, vara. Solamente existe un valor de para el cual la eficiencia del rotor es mxima. En otras palabras, si su velocidad de operacin no estuviera limitada por la frecuencia de la red extraeran ms energa del viento.

Estos inconvenientes motivaron el desarrollo de los llamados sistemas de velocidad variable, para los cuales la velocidad de operacin no est limitada por la frecuencia de la lnea elctrica. En las mquinas de este tipo, los generadores elctricos no se conectan directamente a la lnea elctrica, para permitir que la velocidad de rotacin del rotor siga a la velocidad del viento. Con ello, las cargas dinmicas se reducen y la eficiencia aumenta, pero se produce electricidad de frecuencia variable. Para que esta electricidad se pueda transferir a una lnea elctrica convencional, es necesario convertirla a la frecuencia con que opera la lnea. Para ello, se utiliza un acondicionador electrnico de potencia que se integra con un rectificador (para convertir la corriente alterna en corriente continua) y un inversor (para convertir la corriente continua en corriente alterna). Esta configuracin se conoce como CA-CC-CA. El incremento de energa generada se estima entre el 10 y el 12%. Sin embargo, las prdidas en la electrnica lo reducen a ganancias netas entre el 5 y el 8 %.

Actualmente, cerca del 95 % de los aerogeneradores comerciales son sistemas de velocidad constante con generadores elctricos asncronos. En el proceso de implantacin de la tecnologa, an no existen evidencias objetivas que indiquen una preferencia por los sistemas de velocidad variable disponibles en el mercado. Sin embargo, se cree que una vez que se superen los inconvenientes actuales, stos podran generar electricidad a un costo menor.

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3.5.5. Sistemas de regulacin de potencia y velocidad

Bien es sabido que la potencia que proporciona un aerogenerador es proporcional a la velocidad del viento incidente elevada al cubo. En este sentido podra resultar extrao observar una curva tpica de potencia de una mquina elica y comprobar que a partir de un cierto valor de velocidad de viento esta potencia se ve limitada a lo que es conocido como potencia nominal. En principio esto no tendra mucho sentido dado que a velocidades superiores la capacidad de captar energa podra ser mucho mayor. Ahora bien, el problema hay que plantearlo desde el punto de vista econmico. En este sentido, no es conveniente disear un aerogenerador que, para las velocidades de viento muy altas, intente extraer el total de la de potencia elica disponible ya que aunque con estas velocidades el aerogenerador (potencialmente) puede generar mayor potencia elctrica energticamente stas no representan una contribucin muy significativa a lo largo del tiempo, debido esencialmente a su baja frecuencia de ocurrencia. La excepcin puede darse en lugares con regmenes de viento excelentes.

Desde el punto de vista prctico, la velocidad nominal de diseo de un aerogenerador es funcin del compromiso entre: el potencial de generacin de electricidad, los costos de fabricacin y mantenimiento, y las expectativas de resistencia y vida til, ya que todo ello influye, de manera importante, en el coste de la energa elctrica a producir. Estudios recientes sugieren que el coste ms bajo de produccin, se puede lograr si se escoge un valor nominal de diseo aproximadamente igual a 1,7 veces la velocidad de viento media anual.

La regulacin de potencia y velocidad en aerogeneradores es relativamente compleja, y ha sido uno de los retos principales en el desarrollo de su tecnologa. Actualmente, se utilizan los mtodos que se describen a continuacin.

a) Variacin del ngulo de paso (o calado) de las palas

El primer mtodo para el control de la potencia, una vez alcanzado el valor nominal, es el control del ngulo de paso de la pala ( ), definido ste como el ngulo que se forma entre la cuerda del perfil aerodinmico en la punta de la pala y el plano de rotacin. Resulta evidente que, para una geometra dada de pala, si mecnicamente se cambia el ngulo ( ) se estar cambiando el ngulo de paso de todos los elementos de pala.

Si vara el ngulo de paso, el ngulo con el que el viento incide sobre el perfil variar, y, por tanto, tambin lo harn las fuerzas de resistencia y sustentacin, actuando al mismo tiempo sobre la potencia producida. La contribucin de un elemento de pala a la fuerza tangencial en el plano del rotor, es funcin del ngulo de ataque ( i ), al igual que la fuerza axial. Existen factores adicionales a lo anteriormente expuesto que influyen en la respuesta dinmica del rotor: en la prctica, la velocidad del viento ( V ) cambia continuamente, adems de que en el comportamiento dinmico, las caractersticas del rotor pueden ser influidas por el grado de flexin de las palas, por la inercia del rotor, por la respuesta de flujo alrededor de la pala, por la falta de alineacin del rotor al viento y por la suciedad que se adhiere a las palas. Esto da una idea de la complejidad de la respuesta dinmica de los rotores, cuya explicacin rebasa el alcance de

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este documento. Sin embargo, lo aqu expuesto sirve para comprender que el efecto global de un manejo adecuado del ngulo de paso de pala conduce a limitar la potencia de salida de un aerogenerador a valores muy cercanos a la potencia nominal del generador elctrico, para velocidades de viento por arriba de la velocidad nominal de diseo.

Mecnicamente, el manejo del ngulo de paso de las palas de un rotor consiste en hacerlas girar simultneamente todas sobre su eje radial. Los mecanismos que actan sobre la raz de las palas se encuentran ubicados dentro del cubo del rotor. La fuerza motriz para realizar el movimiento puede aportarse a travs de mecanismos impulsados por dispositivos hidrulicos o elctricos. Los mecanismos actuados elctricamente suelen ser sistemas individuales montados en la raz de la pala, los cuales operan en forma sincronizada.

Bsicamente, este tipo de sistemas est integrado por un motorreductor (en el cubo) acoplado a una corona en la base de la pala. Por otro lado, los mecanismos actuados hidrulicamente suelen ser centralizados y usualmente se montan sobre el chasis principal. Su operacin modifica simultneamente el paso de todas las palas. Estos sistemas se construyen con base en una unidad hidrulica y un servomotor que mueve linealmente una barra actuadora que pasa a travs del interior del eje principal hasta el cubo del rotor.

b) Control por desprendimiento de flujo

Este segundo mtodo de control de potencia se aplica en aerogeneradores de palas donde el ngulo de calado permanece constante. En este tipo de sistemas al aumentar la velocidad del viento tambin lo hace la velocidad relativa producindose al mismo tiempo una variacin en el ngulo de ataque.

En funcin de la geometra propia de un aspa, existe un valor de la velocidad del viento para el cual el ngulo de ataque es tal que el coeficiente de

ngulos de incidencia en el perfil de un labe

Figura 3 - 9

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sustentacin alcanza su mximo valor. A partir de ah, dicho coeficiente comienza a disminuir, mientras que el coeficiente de resistencia empieza a crecer rpidamente.

Esta combinacin limita la potencia del rotor de manera natural, pues el flujo en la cara viento abajo de las palas comienza a desprenderse creando vrtices, tal como se ilustra en la figura 3-10.

El desprendimiento depende de la geometra del perfil aerodinmico y puede ser lento o brusco. El desprendimiento brusco es peligroso y debe evitarse, ya que puede llegar a fracturar las palas. La regin de flujo desprendido es mucho ms complicada y desconocida que la de flujo no desprendido. En aeronutica el desprendimiento debe evitarse. En turbinas elicas controladas por desprendimiento, el flujo desprendido forma parte de la operacin normal hasta para ngulos de ataque de 45. La teora y los mtodos de clculo de flujo bidimensional alrededor de perfiles no son confiables para valores del ngulo de ataque mayores a 10 . Junto con estos hechos existe la complicacin de que la rotacin de la pala aade un aspecto tridimensional muy importante. Adicionalmente, los flujos desprendidos son objeto de estudio por los expertos, desde los ltimos 5 aos. Por esta razn, el diseo de rotores con control pasivo por desprendimiento de flujo es una mezcla entre ciencia y arte, que implica un cierto grado de riesgo.

Sin embargo, la mayora de los primeros aerogeneradores, y muchos de los que ahora estn en el mercado, utilizan esta tcnica debido a que ofrece un menor coste al no requerir de servomecanismos. Se dice que los aerogeneradores que se controlan por desprendimiento de flujo producen menos energa (para un mismo rgimen de viento) que aquellos en los que la regulacin de potencia se realiza modificando el ngulo de paso de las palas. La diferencia se estima del 3 a 5 %, pero an se realizan pruebas para validar esta teora.

La bsqueda de mayor eficiencia, limitando el coste, dio lugar a otra configuracin que consiste en el control activo por desprendimiento de flujo. En este esquema se hace variar el ngulo de paso en sentido negativo con el fin de incrementar el ngulo de ataque y as controlar (en cierta medida) el desprendimiento de flujo. Para ello tambin se utilizan servomecanismos, pero en este caso, su rango de trabajo es menor y son ms baratos. En el mercado actual,

Desprendimiento de flujo sobre un perfil aerodinmico Figura 3 - 10

Flujo no desprendido (ngulo de ataque pequeo)

Flujo desprendido (ngulo de ataque ms grande)

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el 55% de los sistemas utilizan el mtodo pasivo de desprendimiento de flujo para controlar la potencia, el 37% lo hacen mediante variacin del ngulo de paso y el resto (8%) utilizan el control activo por desprendimiento de flujo.

3.5.6.Sistemas de orientacin

El objeto fundamental del sistema de orientacin es mantener el rotor en un plano perpendicular a la direccin del viento, con el fin de extraer de l la mxima energa. En este sentido se plantean dos posibilidades, dependiendo de si la torre se interpone entre el plano del rotor y el viento incidente o no. As, se pueden presentar dos configuraciones distintas:

viento arriba o barlovento y

viento abajo o sotavento.

En la configuracin viento arriba (barlovento), el viento pasa primero sobre el rotor y despus sobre la torre del aerogenerador. En la configuracin viento abajo (sotavento), el viento pasa primero sobre la torre y despus sobre el rotor. Son pocos los diseos con rotores viento abajo, ya que cuando una de las palas pasa por la sombra elica de la torre se originan fuerzas adicionales sobre el eje del rotor. Este problema es mayor para rotores de dos palas.

La mayora de los aerogeneradores en el mercado actual son del tipo a barlovento y utilizan servomecanismos para mantener el plano del rotor en posicin perpendicular a la direccin del viento. Estos dispositivos constituyen el elemento unin entre la torre y la gndola del aerogenerador. Bsicamente se construyen a partir de un cojinete y una corona dentada de dimensiones considerables. La corona est acoplada a piones montados sobre dos o ms

Configuraciones respecto al viento. direccin del viento Figura 3 - 11

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servomotores (elctricos o hidrulicos). Normalmente el subsistema se encuentra habilitado, adems, con un freno mecnico.

El servomecanismo responde a seales de control que son generadas por el controlador electrnico del aerogenerador, en respuesta a la medicin de la direccin del viento. Esto ltimo es llevado a cabo mediante sensores convencionales (veletas). Estos sistemas no operan de manera rpida, es decir, no intentan seguir la direccin del viento con gran dinmica. Los sistemas de control cuentan con algoritmos para la toma de decisiones al respecto, por ejemplo, slo cambian la orientacin del rotor cuando las estadsticas de la medicin sugieren que la direccin del viento efectivamente ha cambiado. La efectividad de estos algoritmos es relevante con relacin a la fiabilidad y eficiencia global del aerogenerador, es decir, una actividad con frecuencia alta degradara el subsistema y provocara ms fuerzas mientras que una actividad con frecuencia baja tiende a reducir la cantidad de energa elica aprovechable, debido a la desalineacin del rotor.

En aerogeneradores con orientacin a sotavento se emplea una tcnica de orientacin pasiva. Esta tcnica est basada en el concepto de conicidad del rotor y en una flexibilidad mayor de las palas. Algunos aerogeneradores con sistema de orientacin pasiva cuentan con motores para desorientar la mquina con propsitos de seguridad.

3.5.7. Conexiones a red

Este es uno de los campos donde ms se est avanzando con el fin de aumentar la eficiencia en la conversin de energa en este tipo de sistemas. En los primeros modelos de aerogeneradores slo se utilizaban contactores electromecnicos para realizar la interconexin a la red elctrica. Sin embargo, en el instante de la conexin se crean corrientes transitorias que los degradan

Sensores de velocidad y direccin de viento en un aerogenerador

Figura 3 - 12

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relativamente rpido. La experiencia operacional de este medio demostr un ndice alto de fallos y un coste elevado de mantenimiento.

El uso de tiristores como medio de conexin suave a la red ha proliferado como una solucin a este problema. Sin embargo, ya que los modelos que pueden manejar potencias altas (del orden de cientos de kW) son muy caros, se est utilizando una solucin mixta, donde la conexin inicial se suaviza mediante tiristores y posteriormente el suministro continuo de potencia se realiza a travs de contactores.

En los sistemas de velocidad variable que utilizan convertidores electrnicos de potencia (CA-CD-CA), dicho problema se elimina implcitamente.

3.5.8. Dispositivos de seguridad

El objeto fundamental de este tipo de sistemas es el de proteger la integridad fsica de los humanos, as como la del equipo en su conjunto. Por ello, estos sistemas se ponen en funcionamiento generalmente en situaciones como:

Presencia de vientos mayores que la velocidad de salida.

Velocidad de rotacin por arriba del mximo aceptable.

Prdida de carga (desconexin o fallo de la lnea de interconexin).

Exceso de vibraciones.

Temperaturas por arriba de las mximas aceptables (en generadores, cajas de transmisin, controladores electrnicos, etc.).

Prdida de presin en controladores hidrulicos.

Dado que el viento no es controlable, ante una situacin operativa anmala la accin tpica de seguridad es el paro forzado de los aerogeneradores. Los paros forzados se pueden dar en las siguientes situaciones:

1. A travs del controlador electrnico local: Cuando la situacin anmala se detecta por la medicin de variables.En este caso,el control ejecuta un paro suavizado (cuando se detectan temperaturas mximas de operacin en algn componente).

2. Por accin directa de elementos especficos: Cuando la situacin anmala requiere de una accin inmediata y por el carcter del evento no se puede confiar en el control electrnico (por ejemplo exceso de vibraciones).

3. Por voluntad de los operadores cuando la situacin no puede ser detectada por ningn medio automtico (operadores en peligro o accidentados): Para este caso los aerogeneradores cuentan con botones de paro de emergencia en su parte superior, en su base ,a lo largo de la torre y a travs de las computadoras en el cuarto de control centralizado.

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Los medios que se utilizan para efectuar el paro forzado son:

Freno de disco.

Control del ngulo de paso de las palas.

Dispositivos de punta de pala (frenos aerodinmicos).

Control de orientacin al viento.

La mayora de los aerogeneradores cuenta con dos (o ms) de estos medios, los cuales pueden operar de manera independiente o coordinada. Dependiendo del modelo especfico del aerogenerador se asigna uno de ellos como el medio principal de frenado.

En aerogeneradores que tienen sistemas de regulacin de velocidad por control del ngulo de paso de las palas, usualmente se asigna este medio como el de frenado principal. En este caso, se ampla su rango de operacin para que sea posible colocar la cuerda del elemento de punta de pala en una posicin casi la direccin del viento (posicin de bandera).

Esto representa una solucin adecuada que evita fuerzas mecnicos durante el evento. El freno secundario (tpicamente un freno de disco), se aplica despus que la velocidad de rotacin del rotor se redujo considerablemente, y por consecuencia, el par motriz es mucho menor. Cuando se utilizan motores elctricos para manejar el ngulo de paso de las palas, las condiciones por defecto ante la desconexin o fallo de la lnea elctrica colocan automticamente a las palas en posicin de bandera. En sistemas que utilizan mecanismos accionados hidrulicamente, el problema de prdida de carga se resuelve mediante la incorporacin de acumuladores hidrulicos.

En aerogeneradores con caja de engranes, el freno de disco se puede aplicar sobre el eje principal del rotor (baja velocidad) o sobre el de alta velocidad (en el eje de salida de la caja de engranes que acopla con el generador elctrico). Si se aplica sobre el eje de alta velocidad, la fuerza requerida para frenar el rotor es inversamente proporcional a la relacin de transmisin, por lo cual se pueden utilizar dispositivos ms ligeros y baratos. Sin embargo, la caja de engranes recibe directamente los esfuerzos. Esta configuracin resulta ms conveniente cuando el medio principal de frenado es a travs del control del ngulo de paso de las palas

Frenos de disco y aerodinmico Figura 3 - 13

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y el freno de disco constituye el medio secundario, por lo que normalmente ste solo se aplica a velocidades ya muy reducidas. Algunos fabricantes prefieren aplicar el freno de disco sobre el eje de baja velocidad, mxime cuando ste constituye el medio principal de frenado. Esta configuracin puede resultar ms segura, pero tambin es ms costosa.

En la figura 3-13 se ilustran los llamados dispositivos de punta de pala que se utilizan en algunos aerogeneradores para reducir aerodinmicamente la velocidad del rotor antes de aplicar el freno de disco. Este dispositivo es una seccin en la punta de la pala que se puede girar hasta 90 , con objeto de que su superficie se oponga aerodinmicamente al giro del rotor.

3.5.9 . Electrnica de control

Todos los aerogeneradores para centrales eoloelctricas cuentan con un sistema electrnico dedicado al control y a la adquisicin de datos (SCADA). Cada aerogenerador cuenta con un SCADA propio, independientemente de que ste forme parte de una central integrada por varias turbinas. Sus funciones principales son:

Controlar los procesos de inicio de operacin y de conexin a la lnea elctrica.

Controlar la regulacin de velocidad y potencia de salida.

Controlar la orientacin del rotor con respecto a la direccin del viento.

Controlar los procesos de paro forzado.

Controlar los elementos auxiliares dedicados a mantener las mejores condiciones de operacin normal.

Ser la interfaz local entre el operador y la mquina.

Adquirir y procesar los datos del comportamiento operacional de cada aerogenerador.

Mantener la comunicacin con los centros de supervisin en centrales eoloelctricas (transmisin de datos).

Sistema de control de un aerogenerador Figura 3 - 14

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Para tales fines, los SCADA miden y procesan las variables de control, entre las que se encuentran:

Velocidad y direccin del viento.

Velocidades angulares.

Temperaturas.

Presin.

ngulo de orientacin.

Vibraciones.

Estados operativos.

Sistema de control de un aerogenerador.

Parmetros elctricos.

Eventos.

Cada SCADA est diseado en forma especfica para el modelo de aerogenerador al que se aplica, es decir, cada sistema cuenta con sus propios algoritmos y secuencias lgicas. Los SCADA tienen caractersticas comunes, pero pueden llegar a ser muy diferentes de una marca de aerogenerador a otra. La fiabilidad y efectividad de los SCADA tiene un impacto muy relevante en cuanto a la eficiencia, fiabilidad y disponibilidad de un aerogenerador. Es decir, no puede existir un buen aerogenerador si su sistema de control es deficiente.

A travs de la experiencia operativa se han desarrollado tcnicas que han reducido considerablemente el nmero de fallos atribuibles al sistema de control. Sin embargo, stas an representan un alto porcentaje de los eventos de paro forzado y/o de las necesidades de mantenimiento correctivo. De ah la importancia del uso de sensores y actuadores precisos y confiables, as como del establecimiento de un programa adecuado de inspeccin, mantenimiento preventivo y calibracin.

3.5.10. Acoplamientos mecnicos

Durante el funcionamiento de un aerogenerador los componentes del sistema de transmisin estn sujetos a fluctuaciones torsionales, desplazamientos axiales y desalineacin entre los ejes. Estos efectos adversos deben ser minimizados para reducir esfuerzos y prolongar la vida til de los componentes. Para ello se utilizan diversas tcnicas que dependen del diseo y configuracin especfica del aerogenerador.

Por ejemplo, en aerogeneradores que cuentan con una caja de engranes en el tren de potencia, la conexin mecnica al generador elctrico se realiza mediante una barra de torsin provista de juntas homocinticas en ambos extremos, y un acoplamiento de friccin en el extremo del generador elctrico. Asimismo, la caja de engranes suele estar sujeta al chasis principal mediante elementos que proporcionan una suspensin amortiguada. Esta combinacin permite amortiguar fluctuaciones torsionales sobre los engranajes y absorber

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pequeos desplazamientos axiales, as como la posible desalineacin de los ejes durante la operacin normal del aerogenerador.

Al respecto existe una cantidad significativa de diseos que, adems de buscar reducir los efectos que inciden en el desgaste de los componentes, tambin tienen que ver con la reduccin de fluctuaciones en la potencia de salida y con la reduccin de emisin de ruido acstico.

3.5.11. Estructura soporte, chasis o gndola

El chasis principal es una estructura metlica donde se monta el tren de potencia, el generador elctrico, las mordazas del freno y, en su caso, las unidades hidrulicas. Este componente recibe las cargas del rotor a travs del tren de potencia y las transmite a la torre va el subsistema de orientacin.

Usualmente, el chasis principal est construido a partir de perfiles estructurales de acero soldados y placas de fibra de vidrio. Este elemento es el principal receptor de las fuerzas generados durante el frenado, ya que sobre l se montan los elementos de friccin que actan sobre el disco del freno (las mordazas).

Su dimensin y peso depende de las cargas que debe soportar. Su diseo parte de la fuerza general relacionado con la reduccin de masa y volumen del conjunto. Sobre este chasis va colocada una cubierta general cuyo propsito es proteger a los componentes del sistema contra los efectos del medio ambiente.

3.5.12.Torres

Las torres constituyen el elemento de apoyo del resto de subsistemas de la aeroturbina. Por tal motivo, su principal funcin es estructural. Para instalar aerogeneradores de eje horizontal se pueden utilizar torres tubulares o torres de celosa.

a) Torres tubulares

Suelen ser de acero con seccin circular y, dependiendo del tamao, se pueden presentar con forma cilndrica, troncocnica o una mezcla de ambas. Proporcionan el medio de proteccin e instalacin para equipos de control y sistemas elctricos en piso. Al mismo tiempo, se pueden integrar en ella medios muy seguros para que el personal de mantenimiento suba a la gndola. En cuanto a su aspecto esttico es agradable y moderno. Su instalacin es fcil y rpida al tiempo que requieren poco mantenimiento. Sin embargo, tienen un costo relativamente alto, su fabricacin requiere maquinaria especializada, y su transporte es ms difcil y costoso.

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b)Torres de celosa

En las torres de celosa es necesario verificar peridicamente que en las uniones de todos los perfiles angulares los tornillos se mantengan apretados adecuadamente. Por ello, este tipo de torres no se utiliza en sistemas grandes. Adems, su rigidez limita su capacidad para absorber fluctuaciones de carga. En estas torres, el acceso al chasis se realiza por medio de escaleras tipo marino, montadas sobre un costado. A pesar de que cuentan con protecciones, subir a ellas en condiciones de baja temperatura y vientos intensos tiene un grado de dificultad importante. Esta es una de las razones por las que en los pases del norte de Europa prcticamente no se utilizan. En comparacin con las estructuras tubulares, tienen un costo relativamente bajo y son fciles de construir ya que tpicamente estn formadas por perfiles angulares de acero. Al mismo tiempo, son fciles de transportar, prcticamente en cualquier tamao. Sin embargo, requieren mucho mantenimiento, son rgidas y requieren de un medio adicional para la instalacin del equipo electrnico de piso.

En general, dado que las mquinas ms utilizadas en la actualidad son las que rondan los 1.000 kW, las torres ms utilizadas son las tubulares.

Interior de una torre tubular Figura 3 - 15

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Secuencia de montaje de un aerogenerador Figura 3 - 16

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Aerogenerador de 1,5 MW Figura 3 - 17

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3.6. RESUMEN DESCRIPTIVO

La evolucin producida en las ltimas dcadas ha resultado en modernas turbinas elicas que operan con un elevado rendimiento aerodinmico de su hlice que les permite captar aproximadamente 4 veces ms energa del viento.

Los progresos en el diseo de las actuales turbinas, se han debido principalmente a los avances realizados en el clculo de la forma geomtrica de la hlice ptima. Es importante desarrollar por lo tanto, los conceptos bsicos de la aerodinmica y analizar como se utilizan para el clculo de la hlice.

1. La gndola contiene los componentes clave del aerogenerador, incluyendo el multiplicador y el generador elctrico. El personal de servicio puede entrar en la gndola desde la torre de la turbina. A la izquierda de la gndola se tiene el rotor del aerogenerador, es decir, las palas y el buje.

2. Las palas del rotor capturan el viento y transmiten su potencia hacia el buje. En un aerogenerador moderno de 1000 KW cada pala mide alrededor de 27 metros de longitud y su diseo es muy parecido al del ala de un avin.

3. El buje del rotor est acoplado al eje de baja velocidad del aerogenerador.

4. El eje de baja velocidad del aerogenerador conecta el buje del rotor al multiplicador. En un aerogenerador moderno de 600 KW el rotor gira

2

3

4

1 10

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5 12

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Componentes de un aerogenerador Figura 3 - 18

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bastante lentamente, de unas 19 a 30 revoluciones por minuto (r.p.m.). El eje contiene conductos del sistema hidrulico para permitir el funcionamiento de los frenos aerodinmicos.

5. El multiplicador tiene a su izquierda el eje de baja velocidad. Permite que el eje de alta velocidad que est a su derecha gire 50 veces ms rpidamente que el eje de baja velocidad.

6. El eje de alta velocidad con su freno mecnico gira aproximadamente a 1.500 revoluciones por minuto (r.p.m.), lo que permite el funcionamiento del generador elctrico. Est equipado con un freno de disco mecnico de emergencia. El freno mecnico se utiliza en caso de fallo del freno aerodinmico, o durante las labores de mantenimiento de la turbina.

7. El generador elctrico suele llamarse generador asncrono o de induccin. En un aerogenerador moderno la potencia mxima suele estar entre 500 y 3000 kilovatios (KW).

8. El mecanismo de orientacin es activado por el controlador electrnico, que vigila la direccin del viento utilizando la veleta. La figura 3-18 muestra la orientacin de la turbina. Normalmente, la turbina slo se orientar unos pocos grados cada vez, cuando el viento cambia de direccin.

9. El controlador electrnico tiene un ordenador que continuamente monitoriza las condiciones del aerogenerador y que controla el mecanismo de orientacin. En caso de cualquier disfuncin (por ejemplo, un sobrecalentamiento en el multiplicador o en el generador), automticamente para el aerogenerador y llama al ordenador del operario encargado de la turbina a travs de un enlace telefnico mediante mdem.

10. El sistema hidrulico es utilizado para restaurar los frenos aerodinmicos del aerogenerador.

11. La unidad de refrigeracin contiene un ventilador elctrico utilizado para enfriar el generador elctrico. Adems contiene una unidad de refrigeracin del aceite empleada para enfriar el aceite del multiplicador. Algunas turbinas tienen generadores enfriados por agua.

12. La torre

13. El anemmetro y la veleta se utilizan para medir la velocidad y la direccin del viento. Las seales electrnicas del anemmetro son utilizadas por el controlador electrnico del aerogenerador para conectar el aerogenerador cuando el viento alcanza aproximadamente 5 metros por segundo. El ordenador parar el aerogenerador automticamente si la velocidad del viento excede de 25 metros por segundo, con el fin de proteger a la turbina y sus alrededores. Las seales de la veleta son utilizadas por el controlador electrnico del aerogenerador para girar al aerogenerador en contra del viento, utilizando el mecanismo de orientacin.