Funcionamiento y Componentes de Los Aerogeneradores

[AFO009178] Curso Práctico de Aplicaciones y Funcionamiento de la Energía Eólica [MOD008576] Aplicaciones y Funcionamiento de la Energía Eólica [UDI036077] Funcionamiento y componentes de los aerogeneradores

1. Principales partes de un aerogenerador Cuando observamos un aerogenerador de eje horizontal, los elementos que a simple vista distinguimos son:

Las palas. La góndola.

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La torre.

Sin embargo, ellos son sólo la parte visible, y están compuestos a su vez por muchos elementos que son los que hacen que la energía del viento que gira el rotor del aerogenerador se convierta en

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energía eléctrica.

De forma muy simplificada, el funcionamiento del aerogenerador se produce de la siguiente manera:

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Las palas del rotor captan la energía del viento mediante la acción de las fuerzas aerodinámicas. Estas palas transmiten su giro a un eje alojado en la góndola, dónde también están el generador eléctrico, el multiplicador y los mecanismos de control. La góndola descansa sobre una placa o plataforma, que además gira con el fin de orientar el rotor de manera que su eje de giro permanezca paralelo al viento.

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Estos elementos se encuentran sobre una torre, que está cimentada al suelo con un sistema

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propio.

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2. La torre Soporta la góndola y el rotor. La altura de la torre suele ser igual al diámetro del rotor, o por lo menos, del mismo orden. Para aeroturbinas pequeñas, es bastante mayor. Las torres pueden ser de diferentes tipos:

Tubulares.

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De celosía. De mástil.

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2.1. Torres tubulares

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La mayoría de los aerogeneradores se construyen con este tipo de torre. Se fabrican con planchas de acero curvadas y soldadas. Está compuesta por secciones de 20 ó 30 m, ya que sería imposible

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transportar una torre con su altura completa, que pueden ser 60 ó 70 m. Los distintos tramos se unen mediante bridas en cada uno de los extremos. Las bridas son unos anillos de acero laminado en

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caliente, que mantiene unidas las secciones de la torre mediante pernos. La calidad de las bridas y la tensión en los pernos son parámetros importantes para la seguridad de las torres de

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aerogeneradores.

Las torres son tronco-cónicas (el diámetro va creciendo hacia la base), con el fin de aumentar su resistencia y al mismo tiempo ahorrar material.

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Desde el interior de la torre tubular metálica se puede subir a la góndola por unas escaleras, por las que se sube o baja del lado de la pared, para poder apoyarse en ella. A tramos, encontramos plataformas que permiten descansar. Las torres se construyen sin ventanas, ya que estos elementos afectarían a las características de resistencia de materiales de la torre. La iluminación también es

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gobernada por el controlador.

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Es importante realizar un diseño optimizado de la torre, pues contribuye en gran medida al precio total del aerogenerador. Las comprobaciones a realizar son: verificación de la respuesta dinámica, asegurando que las frecuencias naturales no coinciden con las de excitación del rotor; comprobación de uniones soldadas y atornilladas; verificación de la estabilidad (pandeo) de la torre y

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comprobación a fatiga y pandeo local en zonas de puertas.

2.2. Torres de celosía Se fabrican con perfiles de acero soldados, de base triangular o cuadrada, ancladas en hormigón. No van arriostradas.

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La ventaja básica de las torres de celosía es su coste, puesto que una torre de celosía requiere sólo

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la mitad de material que una torre tubular, sin sustentación adicional, con la misma rigidez. Tienen demasiadas uniones que deben ser comprobadas periódicamente. La principal desventaja de este tipo de torres es su apariencia visual, por razones estéticas las torres de celosía han desaparecido

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prácticamente en los grandes aerogeneradores modernos.

2.3. Torres de mástil Se emplean para los aerogeneradores pequeños. Éstos están montados sobre delgadas torres de mástil sostenidas por cables arriostrados. La ventaja es el ahorro de peso y, por lo tanto, de coste. Las desventajas son el difícil acceso a las zonas alrededor de la torre, lo que las hace menos apropiados para zonas agrícolas.

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2.4. Zapata o cimentación

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Es la parte que permite asegurar la torre vertical, absorber los esfuerzos de rotor y góndola y transmitirlos correctamente al terreno. Se calcula en función del tipo de suelo y de las dimensiones

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del aerogenerador.

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El tipo de cimentación que más se utiliza es una zapata aislada de cemento. La cantidad de cemento debe ser suficiente para evitar el vuelco. Las dimensiones de la zapata son unos 10-15 m de lado y 1-2 m de canto para una torre tubular; las torres de celosía para pequeños aerogeneradores llevan

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zapatas menores. Si la ubicación fuera sobre roca, la cimentación sería a base de barras incrustadas profundamente en la misma, que absorberían las cargas de tensión, independientemente de que se construyera una base de apoyo de cemento.

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Hay que comprobar que no se superan las tensiones máximas admisibles en el terreno. También requiere especial cuidado el diseño de detalle de la unión entre la junta de la base de la torre y la cimentación, debiendo asegurarse una buena transmisión de los esfuerzos de la junta hasta las varillas de armadura.

En las siguientes imágenes se muestra tanto el proceso de armado de la zapata de un aerogenerador como una zapata ya acabada.

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3. El rotor Es el sistema de captación, el que recibe la corriente de aire. Incluye el buje y las palas, ambas

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partes se pueden ver en la siguiente imagen.

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3.1. Palas

Las turbinas eólicas pueden tener en el rotor diferente número de palas. La regla general, en

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principio, es: un menor número de palas en el rotor permite mayor velocidad de giro en el eje del mismo, por eso el número de palas puede ser 1, 2, 3 ó 4, ya que un número mayor no se traduce en un aumento significativo del rendimiento y sí supone un encarecimiento del sistema, ya que las palas

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suponen aproximadamente el 20% del valor de aerogenerador. Las palas del rotor capturan el viento y transmiten su potencia hacia el buje. En un aerogenerador las palas del rotor capturan el movimiento del viento y transmiten su potencia hasta el buje. En un aerogenerador moderno de 1.000 KW cada pala mide alrededor de 27 metros de longitud y su diseño es muy parecido al del ala de un avión, es decir, un diseño aerodinámico que le permita aprovechar al máximo la fuerza del viento, minimizar las pérdidas por rozamiento, evitar las deflexiones excesivas que hagan que al doblarse choquen con la torre, resistir cargas extremas y las cargas por fatiga, según se hayan diseñado. Las palas pueden disponerse de dos formas, dando lugar a dos tipos de aerogeneradores:

De paso fijo: cuando las palas presentan una inclinación constante e independiente de la

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velocidad del viento. De paso variable: la inclinación de palas va a depender de la velocidad del viento, adaptándose así a las condiciones atmosféricas.

Debido a la cinética misma de la hélice se hace importante reducir al máximo las masas rotantes, siendo el peso de las palas más que significativo. Las palas deben ser a la vez robustas y ligeras, con una superficie exterior de acuerdo con los requerimientos aerodinámicos. La mayoría de las

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modernas palas de rotor de grandes aerogeneradores están fabricadas con materiales compuestos, normalmente dos. Generalmente se emplea un material plástico, como poliéster o resinas epoxi, que sirve de matriz de unión; y fibra de vidrio como material de refuerzo, aunque también las hay de

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fibra de carbono, pero éstas apenas se usan por ser muy caras.

Otros materiales compuestos (composites) de madera, madera-epoxy o madera-fibra-epoxy aún no

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han penetrado en el mercado de las palas de rotor, aunque existe un desarrollo continuado en este

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área. Las aleaciones de acero y de aluminio tienen problemas de peso y de fatiga del metal, respectivamente. Actualmente sólo son utilizadas en aerogeneradores muy pequeños. Una máquina comercial debe poseer un nivel de emisión de ruido reducido, por esto, y teniendo en

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cuenta que esta emisión aumenta potencialmente con la velocidad en punta de la pala, la velocidad de rotación y la de punta de pala no deben exceder cierto nivel.

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3.2. Perfil de las palas

Las palas del rotor de un aerogenerador son muy similares a las alas de un avión. De hecho, los diseñadores de palas de rotor usan a menudo perfiles clásicos de alas de avión como sección transversal de la parte más exterior de la pala. Sin embargo, los perfiles gruesos de la parte más interior de la pala suelen estar específicamente diseñados para turbinas eólicas. La elección de los perfiles de las palas del rotor conlleva una solución de compromiso entre unas características adecuadas de sustentación y pérdida de sustentación, y la habilidad del perfil para funcionar bien, incluso si hay algo de suciedad en su superficie, factor que puede ser problemático

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en áreas en las que llueve poco. Prueba de palas En los procesos de prueba, las palas son flexionadas utilizando un ciclo próximo a la frecuencia natural de la pala. La frecuencia natural es con la que la pala oscilará de una parte a otra, al empujarse una vez en una

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determinada dirección y luego soltarla. Las frecuencias naturales son diferentes en la dirección de flap y en la dirección periférica: la pala tiende a ser mucho más rígida en la dirección periférica, por lo que tiene una frecuencia natural más alta para la flexión periférica.

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Las palas se ponen en movimiento mediante el accionamiento de un motor eléctrico montado sobre la pala, que balancea un peso hacia arriba y hacia abajo. Las cimentaciones que soporta el casquillo

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de la pala deben ser muy sólidas: la cimentación de un gran casquillo de pala se compone de 2.000

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toneladas de hormigón.

Las especificaciones de las pruebas de homologación para las palas son muy estrictas, precisando de ensayos físicos tanto de las propiedades de fatiga (ensayo de fatiga) como de las propiedades de

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resistencia (ensayo estático). En realidad los requerimientos para las pruebas de homologación de las palas del rotor son más o menos rigurosos según el país en el que nos encontremos.

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3.3. Buje

El buje del rotor, mostrado en las siguientes imágenes, está acoplado al eje de baja velocidad del aerogenerador. Une las palas solidarias a este eje lento, de forma que ambos, palas y eje, giran a la misma velocidad.

A través del buje se transmite el par motor al generador, y en general todas las cargas aerodinámicas y el peso de las palas a la góndola, y de ahí a la torre.

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En las turbinas de tres palas los bujes suelen ser rígidos para evitar complicaciones mecánicas. Si las palas son de paso variable, el buje incorporará cojinetes en la raíz de cada pala para permitir el

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movimiento de cambio de paso, así como el mecanismo para efectuarlo, que puede ser por motores eléctricos dentro del buje o por un sistema actuador de varilla, que es movida desde fuera del buje

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en la parte no rotante de la turbina, pasando por el eje y conectándose a la raíz de las palas.

3.4. La góndola Contiene elementos claves del aerogenerador, como la caja de cambios y el generador. En las turbinas grandes puede tener el tamaño de un microbús y el personal de mantenimiento accede a ella desde la torre. Usualmente es una pieza metálica forjada sobre la cual se montan las diferentes partes del tren de

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conversión modularmente, al mismo tiempo que lo protege del ambiente y sirve de aislante al ruido

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mecánico de la caja de cambios y del generador. Dentro de ella encontramos las siguientes partes:

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4. Sistema de transmisión Está formado por los elementos que transmiten el movimiento del rotor al generador. Lo componen el eje principal, el multiplicador y el eje de alta velocidad. En eólica de pequeña potencia (menos de 10 kW de potencia eléctrica nominal) se utilizan comúnmente generadores de imanes permanentes, especialmente diseñados para ser acoplados a

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turbinas eólicas y, por tanto, no se utiliza una caja de aumento de velocidad de rotación, realizándose una conexión directa entre el rotor y el generador. Estos equipos eólicos generalmente giran a velocidades hasta de 500 r.p.m.

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Para equipos eólicos de mayor capacidad (varias decenas o centenas de Kw de potencia eléctrica nominal) se requiere una caja de aumento de velocidades para excitar el generador eléctrico a

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r.p.m. dependiendo de su diámetro.

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velocidades de giro hasta 1800 r.p.m.; teniendo en cuenta que la turbina eólica gira entre 30 y 100

4.1. El tren de potencia

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Las funciones del tren de potencia no se limitan a transmitir la potencia mecánica con el mayor rendimiento posible, sino que sus componentes deben estar diseñados para soportar los esfuerzos de empuje transmitidos por el rotor eólico. Por otra parte, un buen diseño del tren de potencia debe

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garantizar que todos sus elementos sean de fácil montaje y sustitución en caso de avería. La configuración del sistema de transmisión en las turbinas de eje horizontal está condicionada por la posición del rotor eólico. Este elemento se encuentra situado en la parte superior de la torre, a una altura que debe ser, en cualquier caso, superior a la mitad del diámetro de la turbina. La configuración más habitual del tren de potencia consiste en ubicar todos los elementos que lo componen dentro de la góndola y alinearlos según el eje de giro detrás del rotor eólico. No obstante, existen diseños del tren de potencia, sobre todo antiguos, en donde parte de sus componentes están ubicados fuera de la góndola. En la siguiente imagen se puede un esquema resumido de los componentes más generales de un tren mecánico.

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A continuación, se indican las ventajas e inconvenientes de cada uno de estos diseños.

1. Diseño estándar: el diseño más habitual del tren de potencia consiste en ubicar la caja

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multiplicadora y el generador eléctrico detrás del rotor eólico y dentro la góndola. Otros componentes auxiliares como los motores de orientación o el grupo hidráulico se ubican también en

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la góndola. La principal ventaja de esta configuración es que se puede considerar como la más compacta posible. Sin embargo, presenta algunos inconvenientes: en primer lugar, el peso total del

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tren de potencia se concentra en la parte superior de la torre, lo que condiciona de forma definitiva el diseño estructural de toda la turbina; por otra parte, los aspectos relativos a accesibilidad y

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mantenimiento de componentes se hacen más complejos. 2. Generador de eje vertical en la zona superior de la torre: una forma de reducir peso en la góndola es utilizar un generador eléctrico de eje vertical en la zona superior de la torre. Con esta

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configuración se evita el problema de retorcimiento de los cables de potencia durante los procesos de orientación, sin embargo las desventajas de esta configuración son numerosas, ya que es necesario utilizar una caja multiplicadora más compleja con engranajes cónicos. Además, el par que opone el generador presenta una componente vertical que puede afectar al rotor durante paradas de emergencia.

3. Generador en la base de la torre: la solución más radical para solucionar el problema de peso excesivo en la góndola es ubicar los componentes del tren de potencia en la base de la torre. Esta opción implica que el eje lento de la caja multiplicadora debe tener una longitud similar a la altura de la torre. Una alternativa a este diseño es mantener la caja multiplicadora en la góndola y el generador en la parte inferior de la torre. En cualquier caso, la excesiva longitud de algunos de los ejes de acoplamiento hace que hayan aparecido problemas de vibraciones en los escasos prototipos

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de estas características. 4. Generador directamente acoplado: los diseños basados en generadores multipolares directamente acoplados al rotor eólico, y que no utilizan multiplicadora, son hoy día una de las opciones más utilizadas en los sistemas eólicos de producción de energía eléctrica. Los primeros diseños comerciales basados en este concepto son del fabricante alemán ENERCON en sus modelos E-33, E-44 (mostrado en la siguiente imagen) y E-53, E-70 y E-82. Este tipo de diseño se basa en

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utilizar generadores sincrónicos de excitación independiente, con un número elevado de polos y gobernados mediante un convertidor electrónico que desacopla la frecuencia de funcionamiento del

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generador con la frecuencia de la red.

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4.2. El eje principal

También se denomina eje de baja velocidad o eje lento. Conecta el buje del rotor al multiplicador (por un extremo se conecta al rotor y por el otro al multiplicador). Debe ser muy grueso ya que el rotor debe ir fuertemente asegurado a él mediante un gran número de tornillos. A través de él se transmite el par y además soporta el peso de las palas. A su vez es soportado por cojinetes que transmiten las cargas a la góndola. En ocasiones, algunos de esos cojinetes están integrados en el multiplicador, otras veces se conectan al multiplicador a través de un acoplamiento hidráulico que permite cierto deslizamiento y amortigua las fluctuaciones del par. En un aerogenerador moderno de 600 KW el rotor gira bastante lento, de unas 19 a 30 rpm. Por el interior del eje discurren conductos del sistema hidráulico o

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eléctrico para permitir el funcionamiento de los frenos aerodinámicos, del paso variable o controlar los sensores del rotor.

4.3. Caja multiplicadora También llamada caja de cambios, se conecta al eje de baja velocidad mediante un sistema de engranajes; y consigue que el eje de salida, el de alta velocidad, gire más rápido (entre 50 y 79 veces

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más rápido, dependiendo de la velocidad de la turbina), a la velocidad de giro del generador. El eje principal gira lentamente y envía una gran cantidad de potencia al multiplicador. En el multiplicador, mediante un sistema de engranajes, cambia la potencia, por lo que en lugar de girar

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lentamente con mucha potencia en cada revolución, gira más rápidamente con menos potencia.

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Las cajas de cambios pueden ser de ejes paralelos (dibujo izquierdo) o planetarios (dibujo derecho).

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En ambos casos existe un límite máximo de cambio de velocidad que pueden realizar.

Están sometidas a cargas muy importantes transmitidas a través del buje y el eje, que pueden fluctuar de manera importante debido a las influencias del viento, dando lugar al desgaste de los dientes de los engranajes. Es de las partes más delicadas del aerogenerador, debiendo ser sometida a un estricto control y mantenimiento por ser una de las principales causas de rotura. La caja de cambios es una fuente importante de ruido. Antiguamente era la más importante, aunque en la actualidad el ruido que produce la caja de cambios se ha reducido considerablemente. Para diseñar correctamente una caja multiplicadora no es suficiente conocer las velocidades y pares que transmitirán sus ejes en condiciones nominales. El hecho de no considerar las variaciones de par

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tan bruscas que se transmiten en una caja multiplicadora, ha sido causa de fallos sistemáticos en los primeros diseños. Para que el fabricante de cajas multiplicadoras sea capaz de realizar un diseño adecuado de los engranajes, ejes y apoyos es necesario que conozca las solicitaciones mecánicas y esfuerzos que sus componentes han de transmitir y soportar durante toda la vida útil del componente. Esta información previa se conoce tras un detallado estudio de cargas que el diseñador del

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aerogenerador debe proporcionar. El parámetro de diseño más importante es el par transmitido por el eje de baja en condiciones nominales, sin embargo este par está sujeto a variaciones importantes. Una forma de considerar las

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variaciones de par es mediante el espectro de carga, que consiste en representar la magnitud y fase de estas pulsaciones de par durante la vida de operación de la caja multiplicadora. El diseño ha de

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realizarse de tal forma que la línea de resistencia a fatiga del material, en función del número de

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ciclos, sea superior en todo momento al espectro de carga.

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4.4. Eje de alta velocidad

También llamado eje pequeño o eje rápido. Conecta el multiplicador con el generador eléctrico. Este eje no tiene que transferir tanta fuerza de giro como el eje principal, por eso que es mucho más delgado. Por otro lado, gira muy rápidamente: 1.500 revoluciones por minuto, lo que permite el

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funcionamiento del generador eléctrico. Está equipado con un freno de disco mecánico de emergencia, que se utiliza en caso de fallo del freno aerodinámico o durante las labores de mantenimiento de la turbina. La normativa obliga a que los aerogeneradores lleven dos sistemas de frenado: uno puede ser aerodinámico y otro mecánico.

4.5. Sistemas de frenado. Freno aerodinámico y mecánico Freno aerodinámico También llamado freno en punta de pala, consiste básicamente en frenar el movimiento de las palas girándolas unos 90º alrededor del eje longitudinal o en la punta de las palas del rotor.

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Estos sistemas suelen estar accionados mediante resortes con el fin de que, incluso en caso de fallo en el suministro eléctrico, sigan funcionando, y se activen automáticamente si el sistema hidráulico de la turbina pierde presión. Una vez que la situación de peligro ha pasado el sistema hidráulico de la turbina suele devolver las palas a su posición original. La experiencia demuestra que los sistemas de freno aerodinámico son extremadamente seguros. Frenarán la turbina en cuestión de un par de vueltas como mucho.

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Además, ofrecen una forma muy suave de frenar la turbina, sin ningún esfuerzo, desgaste o rotura importante en la torre o la maquinaria.

Así pues, la forma habitual de frenar una turbina moderna (por cualquier razón) es la de utilizar el

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sistema de freno aerodinámico.

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Freno mecánico

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El freno mecánico se sitúa en el eje pequeño, el rápido, entre la multiplicadora y el generador. Sus requerimientos pueden ser importantes ya que tiene que se capaz de resistir el máximo par motor

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aerodinámico y absorber la energía correspondiente durante un período de 5 segundos. Pueden ser de disco o zapata y suelen estar actuados hidráulicamente. Sólo se utiliza como freno de emergencia en caso de que el freno en punta de pala falle.

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También se utiliza cuando el aerogenerador está siendo reparado para eliminar cualquier riesgo de que la turbina se ponga en marcha de repente, como freno de estacionamiento, asegurando que el rotor no empezará a girar.

El freno mecánico es utilizado como sistema de apoyo del sistema de freno aerodinámico, como freno de estacionamiento, una vez que la turbina ha sido parada, en el caso de una turbina de regulación por pérdida aerodinámica. Las turbinas de regulación por cambio del ángulo de paso no suelen necesitar activar el freno mecánico (excepto en trabajos de mantenimiento), dado que el rotor apenas si puede moverse cuando las palas del rotor están giradas 90 grados.

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4.5.1. Sistema de regulación de giro

Un dispositivo fundamental en un aerogenerador eólico es el que permite la regulación y control del número de revoluciones, que además sirve de protección de dicha máquina para velocidades del viento superiores a las admisibles bajo el punto de vista estructural. Cuando una máquina está sometida a una determinada velocidad del viento comienza a girar; dicha velocidad es la velocidad de conexión, pero su giro es lento y la máquina está lejos de generar su

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máxima potencia. De esta manera, a medida que la velocidad del viento aumenta, el rotor gira más deprisa y la potencia que produce también aumenta; a una determinada velocidad (nominal), el rotor gira a las revoluciones precisas para que la máquina proporcione su potencia nominal; a partir de este momento, aunque aumente la velocidad del viento, no interesa que la velocidad de giro

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aumente, por lo que hay que actuar sobre ella regulando su velocidad.

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Si la velocidad del viento sigue aumentando, el rotor puede peligrar desde el punto de vista estructural, siendo muy importante disminuir las vibraciones; por eso, cuando esta velocidad

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aumenta mucho, el rotor se tiene que frenar.

La velocidad a la que el rotor inicia la parada es la velocidad de desconexión, y los procedimientos

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utilizados para que dicha desconexión se produzca se llaman de protección. En las primeras aeroturbinas el paso de la pala era fijo, por lo que las ráfagas de viento provocaban fuertes sobrecargas mecánicas sobre los componentes de la turbina, que tenían que estar

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sobredimensionadas.

Con la introducción del paso variable se limitan las cargas máximas en la turbina, y con esta innovación comienza el proceso de disminuir los esfuerzos mecánicos que se generaban durante las ráfagas de viento en los momentos en que su velocidad media era del orden de la nominal, iniciándose también el proceso de ofrecer rotores de varios diámetros para adecuarse a las condiciones del emplazamiento. Para las máquinas eólicas que accionan un generador eléctrico existen diversos sistemas de regulación, tales como: Regulación por frenos aerodinámicos

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Se activan por la acción de la fuerza centrífuga, y que actúan cuando el giro del rotor no es el adecuado por sobrepasar un cierto valor. Todos ellos se basan en el efecto de la fuerza centrífuga de rotación y la actuación del frenado aerodinámico se realiza mediante un dispositivo adecuado, que consiste en colocar perfiles aerodinámicos en los extremos de las palas del rotor que actúan cuando éste alcanza altas velocidades. El sistema implica la regulación por variación del ángulo de inclinación β de las palas,

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que puede ser de toda la pala, de parte de la pala o mediante alerones. La sencillez de los mecanismos de regulación es una de las principales características de los aerogeneradores de baja potencia.

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Los sistemas, cada vez más complejos, se simplifican mediante la introducción de nuevas tecnologías y los nuevos materiales permiten diseñar elementos resistentes y flexibles que facilitan la

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regulación.

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La regulación por medio de palas orientables es la más utilizada en las grandes máquinas. Su funcionamiento consiste en actuar sobre el ángulo de calaje β de cada pala, ya que como es sabido la fuerza aerodinámica que actúa sobre ella es función del ángulo θ que, a su vez, lo es también del

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ángulo de ataque α y del de calaje β, (θ = β + α); así se consigue variar la fuerza aerodinámica que actúa sobre la pala sin más que hacer variar el ángulo de calaje, que se controla por procedimientos mecánicos relacionados con la velocidad de ataque del viento.

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En las siguiente imagen se puede ver la regulación del ángulo de inclinación de las palas mediante resortes, por acción de la fuerza centrífuga.

Una variante del sistema de regulación por alerones es el sistema danés en el que el extremo de las palas juega el papel de freno aerodinámico con viento fuerte; con viento normal el alerón móvil que

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se encuentra en la prolongación de la pala, cuya superficie es del orden de la décima parte de la de la misma, constituye el elemento de frenado que se acciona mediante un servomotor hidráulico. En caso de velocidad excesiva llega a girar 60º, introduciendo así un par de frenado considerable. Otra solución consiste en accionar los alerones mediante un regulador centrífugo. En la siguiente imagen se puede ver el sistema de regulación centrífugo del ángulo de inclinación de

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las palas mediante bieletas.

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A continuación se pueden ver distintas formas de variar el calaje de las palas.

Mediante el control electrónico de la potencia Se puede variar la velocidad del rotor, en un pequeño margen, mediante resistencias rotóricas variables, controladas por un microprocesador y accionadas por interruptores estáticos. De esta forma se consigue variar el deslizamiento del generador, y con ello la velocidad del rotor. Regulación por desenganche de las palas Mediante la acción de una varilla, éstas se pueden dejar en una posición en la que no actúe sobre ellas el viento. Esta situación se conoce también como regulación por bandera y se utiliza en aquellas máquinas eólicas cuya velocidad de giro no tiene la necesidad de ser constante, por no accionar generadores eléctricos. Los dispositivos que utilizan el desenganche aerodinámico de las

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palas originan vibraciones, debido a las estelas que aparecen sobre el extradós de las palas. Los dispositivos que colocan las palas paralelamente a un viento de velocidad fuerte son mejores.

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Evidentemente cada aerogenerador debe tener un freno mecánico para parar el rotor.

Regulación por orientación del rotor

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Se da en aerogeneradores de baja potencia. Cuando la velocidad del viento comienza a ser peligrosa para la hélice pone sus palas orientadas de modo que ofrezcan al viento la mínima superficie posible para que éste no interaccione con ellas.

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En los dispositivos de palas fijas, los procedimientos que conseguían la regulación del giro del rotor hacían que el plano del mismo girase de manera que la superficie que se ofrecía al viento disminuyera. Esto se conseguía con una conexión que articulaba el eje del rotor con el eje de transmisión, o colocando una excéntrica que hacía que la fuerza de empuje del viento produjese un par que desorientaba el plano del rotor. En estas situaciones la hélice dejaba de estar en posición frontal a la dirección del viento. Otras formas de frenado El frenado aerodinámico con palas huecas (mostrado en la siguiente imagen) permite reducir la velocidad del aerogenerador mediante la aparición de una corriente de aire en la periferia de las palas, en el supuesto de que éstas se hayan construido huecas.

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Encontramos el frenado aerodinámico con una hélice secundaria fijada a la hélice principal, así la gran anchura de la hélice secundaria permite asegurar el arranque de la aeroturbina, así como el frenado cuando el viento es demasiado fuerte. A partir de una cierta velocidad, por efecto de la fuerza centrífuga, las palas del regulador se separan de la hélice principal, de forma que el sentido de rotación alrededor de su propio eje es tal que su ángulo de asiento se anula, adquiriendo a continuación un valor negativo; el par que era

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resistente, no permitiendo que la máquina se embale.

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motor en el arranque y con velocidades pequeñas, pasa a valer cero y después se convierte en par

4.6. Sistema de orientación. Instrumentos y accionamientos

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Uno de los principales problemas que plantean los aerogeneradores de eje horizontal es la necesidad de su orientación, de forma que el viento incida perpendicularmente al disco barrido por el rotor, con el fin de obtener la máxima potencia a base de hacer incidir la mayor cantidad posible de masa de aire en movimiento y así obtener la mayor cantidad posible de energía cinética Normalmente, la turbina sólo se orientará unos pocos grados cada vez cuando el viento cambia de dirección. Motores de orientación Se trata de un motor que mueve la góndola mediante un sistema de engranajes reductores, de forma que el rotor se oriente hacia el viento. El motor tiene una rueda dentada que engrana en una gran corona dentada de orientación, que hay en la parte superior de la torre. La velocidad de orientación

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debe ser baja para evitar que durante el giro el sistema se vea sometido a esfuerzos que resulten peligrosos. Para saber cuánto debe girarse el sistema se obtienen una serie de datos sobre la dirección e intensidad del viento, con las lecturas de un anemómetro y una veleta, estos instrumentos se

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montan en la parte posterior superior de la góndola, tal y como se muestra en la siguiente imagen.

Un controlador interpreta esos datos y da la orden de giro, a la cual responde el motor de

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orientación

Hay otros parámetros que cuando son detectados por el controlador hacen que éste dé la orden de giro. Se trata del sensor o contador de torsión, el cual si la turbina se sigue orientando durante

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mucho tiempo en un mismo sentido, los cables que llevan la corriente desde el generador hacia abajo a través de la torre se irán retorciendo, llegando a un momento en el que deban distorsionarse. En ese momento, la turbina girará, orientándose continuamente en la misma dirección durante los giros. El anemómetro El anemómetro mide la velocidad del viento y avisa al controlador del aerogenerador cuado existe el viento suficiente para que resulte rentable hacer girar al aerogenerador (orientarlo) hacia el viento y empezar a funcionar (aproximadamente 5 m/s). Es importante saber cuánto viento hay. Normalmente se emplea un anemómetro de eje vertical y tres cazoletas.

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Si el viento es demasiado fuerte el aerogenerador puede romperse. Esta es la razón por la que se detiene el aerogenerador cuando el viento excede los 25 m/s. Cuando el viento cae el anemómetro le “dice” al controlador que puede conectar la turbina de nuevo.

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Veleta

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Una veleta siempre se posiciona a sí misma de acuerdo con la dirección del viento. Hay un pequeño sensor al pie de la veleta que avisa al controlador del aerogenerador de cuál es la

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que el rotor encare al viento.

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dirección del viento. El controlador le dice al motor de orientación que oriente (gire) la góndola para

Corona de orientación Es una rueda dentada que se monta sobre la torre y que engrana con la rueda dentada del motor de orientación. En algunas coronas de orientación los dientes apuntan hacia fuera, mientras que en otras están girados hacia adentro. Esto depende de la posición del motor de orientación.

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Freno en orientación

Para mantener el aerogenerador orientado en una dirección fija se requieren frenos que tengan

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suficiente capacidad de retención para que el engranado entre corona de orientación y piñón del

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motor de giro no sufra desgastes prematuros. Su accionamiento puede ser hidráulico o eléctrico, actuando en pinzas de freno o motor eléctrico respectivamente.

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4.6.1. Sistema de orientación en minieólica

Para pequeños aerogeneradores, existen diversos sistemas que permiten la orientación de la

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máquina:

Una cola o veleta; método muy eficaz sobre todo en máquinas pequeñas. Un sistema de orientación accionado por rotores auxiliares.

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Un servomotor controlado electrónicamente. Un sistema de orientación por efecto de la conicidad que se da a las palas en su disposición y montaje sobre el cubo del rotor.

Las veletas o timones son dispositivos de orientación situados en la prolongación del eje del rotor, y tienen por misión orientar la aeroturbina en la dirección del viento. Están constituidas por una superficie plana metálica o de madera, sobre la que el viento ejerce una presión en el momento en que no están orientadas paralelamente en la dirección del mismo, provocando un par de giro que orienta la máquina. Si llamamos “m” a la distancia entre el centro de gravedad de la placa que conforma la veleta y el eje de giro vertical de la máquina y “s” a la distancia entre el plano barrido por las palas y dicho eje

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de giro se debe cumplir que (m = 4 s). Otro procedimiento de orientación de las máquinas eólicas consiste en la utilización de rotores auxiliares colocados en un plano ortogonal al plano del rotor del aerogenerador; cuando éste no esté orientado correctamente, los rotores eólicos auxiliares comienzan a girar y hacen que la máquina principal se oriente correctamente. En la siguiente imagen se puede ver una imagen general y una vista en planta del sistema de

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orientación del rotor mediante timón de cola.

Generalmente, en equipos pequeños (esto es hasta 10 Kw. de Potencia Nominal) el sistema de seguridad está asociado con el sistema de orientación. Este consiste en una cola o veleta detrás del

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rotor que mueve el rotor en el plano vertical ya que el rotor está descentrado con respecto al eje central de la torre, como se ilustra en la figura siguiente.

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Con esta combinación, a bajas velocidades de viento, el rotor es adecuadamente orientado y con incremento en la intensidad del viento el rotor es gradualmente “sacado” del viento, disminuyendo su velocidad de rotación. A mayores incrementos de viento se logrará que el rotor pare, lográndose

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total desconexión y protección total del equipo.

En equipos de mayores potencias (mayores a 10 KW), el sistema de seguridad está asociado con

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controles electrónicos para protección directa de los elementos que integran el equipo.

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5. Sistema de generación Está formado por el generador eléctrico, el cableado de potencia y el transformador interno.

5.1. Generador eléctrico Es el único elemento del sistema de generación que se encuentra por completo en la góndola. En el

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generador es donde la energía mecánica del eje que gira se transforma en energía eléctrica. Suele llamarse generador asíncrono o de inducción. Es un aerogenerador moderno y su potencia máxima suele estar entre 500 y 3.000 KW. La electricidad producida (elevar la tensión y reducir intensidad)

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es enviada a la red.

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En función del tipo de corriente que se obtiene con ellos, a groso modo existen dos tipos de generadores eléctricos:

Generador de corriente continua (dínamo). Generador de corriente alterna (alternador).

Estos transformadores convierten la energía mecánica en energía eléctrica, teniendo en cuenta las pérdidas ocurridas dentro del generador. 5.1.1. Generador de corriente continua

Está formado por:

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El circuito magnético (bobina de conducción), que crea un campo de inducción en el entrehierro y recibe el nombre de inductor. El bobinado de inducido, en el que se recupera la energía eléctrica producida por la rotación del rotor accionado por el aeromotor.

Para recuperar esta energía el inducido va provisto de un colector, que en la mayoría de los casos

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tiene dos sectores aislados de 180º. Dos escobillas, situadas una frente a otra, se ponen en contacto sucesivamente con ambos sectores, lo que permite que la corriente circule siempre en el mismo sentido de utilización. En realidad, el

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colector consta de un gran número de sectores que corresponden a otros tantos conductores, pero su papel es el mismo: hacer circular una corriente de igual sentido por todos los conductores de un

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mismo polo.

Si se considera que ese flujo producido por la bobina de excitación es constante (máquina

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compensada), la corriente proporcionada es proporcional a la velocidad de rotación. 5.1.2. Generador síncrono de corriente alterna

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La máquina consta de las siguientes partes.

La bobina de excitación, que crea el campo magnético en el cual el entrehierro es móvil, es el

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rotor accionado por el aeromotor. Puede ser de dos tipos:

Rotor bobinado alimentado por dos colectores continuos en los que la corriente circula siempre en el mismo sentido. Rotor de imanes permanentes, con lo que se suprimen escobillas y colectores, que pueden ser causa de averías.

El inducido, en el que se recupera la energía, solidario a la carcasa y conectado a la utilización, y éste al estator; pudiendo ser monofásico o trifásico. El trifásico permite obtener una tensión alterna casi sinusoidal y, por tanto, mejora el rendimiento.

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5.1.3. Ventajas e inconvenientes

El principal inconveniente de la dínamo es la presencia de escobillas y colectores, que requieren un mantenimiento periódico. Por otra parte, la dínamo es más pesada y cara que un generador de corriente alterna pero no necesita ningún dispositivo complicado para la carga de baterías. El alternador, principalmente del tipo de rotor de imanes permanentes, presenta muchas ventajas. Su mantenimiento es nulo debido a la total ausencia de piezas en rozamiento. Para una misma

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potencia es más ligero y económico pero, debe girar a una velocidad más elevada y más estable que la dínamo (en general 3.000 r.p.m.) y, además, requiere un rectificador para la carga de baterías. A pesar de los inconvenientes propios de alternador su utilización está generalizada, excepto por aeromotores de pequeña potencia, en los que la estabilidad de la velocidad de rotación no es

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suficiente.

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En general, se utilizan alternadores trifásicos de imanes permanentes.

5.2. Cableado de potencia

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Transporta la energía eléctrica generada desde el generador hasta el transformador, pasando por las distintas protecciones de máxima o mínima tensión, sobreintensidad o frecuencia; evitando daños a la red o a la propia turbina en caso de producirse contingencias en el aerogenerador o red de

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distribución.

5.3. El transformador interno En grandes aerogeneradores (alrededor de 100-150 kW) el voltaje generado por la turbina suele ser de 690 V de corriente alterna trifásica (C.A.). Posteriormente, la corriente es enviada a través de un transformador anexo a la turbina (o dentro de la torre), para aumentar su voltaje entre 10 y 30 KV, dependiendo del estándar de la red eléctrica local. Elevando la tensión se reduce la intensidad, con lo que el cableado se calienta menos y se reducen las pérdidas.

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6. Sistema de control Es el encargado de organizar el funcionamiento del aerogenerador. En él encontramos:

6.1. Controlador Anteriormente hemos mencionado el controlador de giro, que se encarga de situar el rotor en la

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posición adecuada pero no es el único factor para un correcto funcionamiento del aerogenerador. Como su propio nombre indica el controlador también controla un gran número de interruptores, bombas hidráulicas, válvulas y motores dentro de la turbina eólica. Es posible monitorizar o fijar

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alrededor de entre 100 y 500 valores de parámetros en una turbina eólica moderna. Por ejemplo, el controlador puede contrastar la velocidad de rotación del rotor, el generador, su voltaje y su

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corriente.

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También pueden realizarse medidas de la temperatura del aire exterior en los armarios electrónicos, de la temperatura del aceite en el multiplicador, de los devanados del generador, de los cojinetes del multiplicador, de la presión hidráulica, del ángulo de paso de cada pala del rotor, del ángulo de

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orientación (contando el número de dientes en la corona y su orientación), de la dirección y la velocidad del viento del anemómetro, del tamaño y la frecuencia de las vibraciones en la góndola y en las palas del rotor, del espesor de las zapatas del freno, de que la puerta de la torre está abierta o

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cerrada (sistema de alarma), etc.

El controlador de la turbina eólica reúne varios ordenadores que continuamente supervisan las condiciones de esta, y recogen estadísticas de su funcionamiento. Normalmente, suele haber un controlador en la parte inferior de la torre y otro en la góndola. En los modelos recientes de aerogeneradores la comunicación entre controladores suele hacerse utilizando fibra óptica. En algunos modelos hay un tercer controlador situado en el buje del rotor. Esta unidad suele comunicarse con la góndola utilizando comunicaciones en serie, a través de un cable conectado con anillos rozantes y escobillas al eje principal.

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6.1.1. Sensores de control

Se utilizan para medir los parámetros físicos de funcionamiento y supervisión de la turbina. Los ordenadores y sensores suelen estar por duplicado en todas las áreas de precisión, de seguridad o de servicio de las máquinas grandes más nuevas. El controlador compara continuamente las lecturas de las medidas en toda la turbina eólica, para asegurar que tanto los sensores como los propios ordenadores funcionan correctamente.

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Uno de los más clásicos y simples dispositivos de seguridad en un aerogenerador es el sensor de vibraciones. Consiste simplemente en una bola que reposa sobre un anillo. La bola está conectada a

sobre el que reposa y desconectará la turbina.

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un interruptor a través de una cadena. Si la turbina empieza a vibrar, la bola se caerá del anillo

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Hay muchos otros sensores en la góndola, como termómetros electrónicos que controlan la temperatura del aceite en el multiplicador y la temperatura del generador

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6.1.2. Salidas de control y regulación

Desde un controlador de turbina, en base a la información analizada de los sensores, salen unas

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órdenes que afectan a la operación y funcionamiento del aerogenerador. Las señales electrónicas son utilizadas por el controlador electrónico del aerogenerador para conectarlo cuando la señal recibida es correcta. El ordenador parará el aerogenerador

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automáticamente si la información recibida de los sensores es errónea, con el fin de proteger a la turbina.

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7. Sistema hidráulico El sistema hidráulico es el encargado de restaurar los frenos aerodinámicos del aerogenerador, como ya hemos visto. Está formado por el grupo de presión, los conductos hidráulicos y las válvulas de control. El grupo de presión se encarga de suministrar fluido hidráulico a una presión determinada para

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permitir el accionamiento de sistemas de captación, orientación o transmisión. A través de los conductos hidráulicos se canaliza el fluido hidráulico hasta el punto de utilización.

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Las válvulas de control adaptan la presión y caudal del fluido, en base al actuador a accionar.

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8. Sistema de refrigeración El giro del generador hace que éste se caliente. Un calentamiento excesivo puede hacer que se averíe. Para evitar que esto suceda es necesario refrigerarlo. El generador puede enfriarse de dos formas: por aire o por agua. Para la refrigeración por aire es necesario emplear un ventilador que enfoque directamente el flujo de aire sobre el generador.

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Cuando la refrigeración es por agua, el agua fría circula por unas tuberías escondidas en la carcasa del generador. El agua enfría el generador mientras ella misma se calienta, por lo que se precisa un radiador en la góndola para eliminar el calor del líquido de refrigeración. El aire circundante se emplea para volver a enfriar el agua, con lo que ésta puede circular permanentemente mientras

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enfría el generador.

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Además, contiene una unidad de refrigeración del aceite empleada para enfriar el aceite del multiplicador.

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Los generadores refrigerados por agua pueden ser construidos de forma más compacta, lo que también les proporciona algunas ventajas en cuanto a rendimiento eléctrico se refiere.

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En el sistema de refrigeración:

Los ventiladores funcionan según ordene el controlador, creando una circulación de aire y

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enfriando el generador eléctrico.

Los intercambiadores de calor (radiadores) disipan el calor del componente a refrigerar (generador, multiplicado o central hidráulica) empleando la corriente de aire creada por los ventiladores.

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9. Sistemas de seguridad Todos los equipos eólicos poseen algún tipo de sistema de seguridad para protegerlo de borrascas o incrementos inadecuados en la velocidad. Sería poco práctico (tanto económica como técnicamente) diseñar un equipo lo suficientemente fuerte para operar constantemente durante ventarrones o

9.1. Seguridad y utilización del terreno

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borrascas (Fernández, 2009). Los principales sistemas de seguridad los veremos a continuación.

El principal problema relacionado con la seguridad radica en la posibilidad de rotura de una pala.

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Dada la alta velocidad periférica del rotor hay que dejar una zona de seguridad en torno al aerogenerador que está en función de la potencia del mismo.

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Con los métodos de cálculo existentes actualmente, la probabilidad de que se produzca dicha rotura

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es pequeña por lo que la zona de seguridad se puede utilizar para usos agrícolas, ganadería, circulación de vehículos y otros fines equivalentes. La superficie de terreno ocupada por un aerogenerador de 1 MW es pequeña, (2000 m2); la zona de seguridad abarcaría 120.000 m2.

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En el caso de una agrupación de aerogeneradores es necesario que la distancia entre ellos guarde un mínimo necesario para evitar interferencias aerodinámicas entre máquinas, que suele ser del orden de 5 a 7 veces el diámetro del rotor, lo que implica distancias de aproximadamente 1 km. para

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generadores de 2,5 MW. El terreno entre aerogeneradores podría ser utilizado para otros fines, respetando las servidumbres impuestas por las carreteras de acceso a las máquinas y las líneas eléctricas.

9.2. Protección contra el rayo Como los aerogeneradores sobresalen del entorno que les rodea constituyen unos conductores privilegiados de transmisión de la electricidad estática de las nubes hacia el suelo. Para evitar que durante una tormenta se estropeen por un rayo, conviene conectar el pilón soporte del aerogenerador a una buena toma de tierra y colocar pararrayos en los cables eléctricos que unen el aerogenerador a la red de utilización, (chispómetro de gas, y en las instalaciones de grandes

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potencias, eventualmente variómetros). Como los chispómetros de pararrayos se regulan para una tensión doble de la tensión máxima eficaz que pueden producir en sus bornes, se deben unir a la toma de tierra mediante un conductor lo más corto posible.

9.3. Protección contra el embalamiento Es fundamental que un aerogenerador se pare automáticamente en caso de un mal funcionamiento

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de alguno de los componentes críticos.

Por otro lado la velocidad de funcionamiento de los aerogeneradores está comprendida entre determinados límites en función de la potencia (usualmente a partir de 3 m/s y por debajo de los 25

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m/s).

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Por ejemplo, si hay un sobrecalentamiento del generador o se desconecta de la red eléctrica dejará de frenar al rotor y, en cuestión de segundos, el rotor empezaría a acelerarse rápidamente. Por otro

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lado existen circunstancias de fuerte viento en las que no interesa que funcione a pleno rendimiento ya que se pueden provocar daños en los equipos.

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Por tanto el aerogenerador tiene que tener por un lado un sistema de frenado y por otro un sistema de regulación de giro, ya estudiados en apartados posteriores. En la imagen que se muestra a continuación se puede ver varios accidentes en aerogeneradores

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después de la pérdida de control de los mismos.

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Recuerda Tubular. La mayoría de los aerogeneradores se construyen con este tipo de torre. Se fabrican con planchas de acero curvadas y soldadas. Está compuesta por secciones de 20 ó 30 m, ya que sería imposible transportar una torre con su altura completa, que pueden ser 60 ó 70 m. De celosía. Se fabrican con perfiles de acero soldados, de base triangular o cuadrada, ancladas en hormigón. No van arriostradas.

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De mástil. Se emplean para los aerogeneradores pequeños. Éstos están montados sobre delgadas torres de mástil sostenidas por cables arriostrados. La ventaja es el ahorro de peso y, por lo tanto, de coste. Las desventajas son el difícil acceso a las zonas alrededor de la torre, lo

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que las hace menos apropiados para zonas agrícolas.

Las palas: las palas del rotor capturan el viento y transmiten su potencia hacia el buje.

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La góndola: contiene elementos claves del aerogenerador, como la caja de cambios y el generador. En las turbinas grandes puede tener el tamaño de un microbús y el personal de

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mantenimiento accede a ella desde la torre.

En el plano eléctrico un aerogenerador está formado por el generador eléctrico, el cableado de potencia y el transformador interno.

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Todos los equipos eólicos poseen algún tipo de sistema de seguridad para protegerlo de

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borrascas o incrementos inadecuados en la velocidad.

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Autoevaluación 1. ¿Cuáles son las partes que se distinguen a simple vista de un aerogenerador?

Las palas y la torre.

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Las palas, la góndola y la torre.

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Las palas y la góndola.

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2. ¿Qué significa que las torres de los aerogeneradores son tronco-cónicas?

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Que poseen una estructura en tronco.

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Que su estructura es cónica.

Que el diámetro va creciendo hacia la base.

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3. En un aerogenerador, ¿qué es el buje?

Es el elemento al que van unidas las palas y el único elemento externo que gira junto con las palas.

El eje que transmite la fuerza producida por las palas al generador eléctrico.

El engranaje que transmite la fuerza cinética del rotor al aerogenerador.

4. Indica si es verdadero o falso el siguiente enunciado: “El freno mecánico se sitúa en el eje pequeño, el rápido, entre la multiplicadora y el generador. Sus requerimientos EUROINNOVA

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pueden ser importantes, ya que tiene que ser capaz de resistir el máximo par motor aerodinámico y absorber la energía correspondiente durante un período de 5 segundos”.

Verdadero.

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Falso.

Instalándole un pararrayos.

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5. ¿Cómo se puede evitar que un aerogenerador sufra algún daño por la acción de un rayo?

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A y b son correctas.

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Conectándole el pilón soporte del aerogenerador a una buena toma de tierra.

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Funcionamiento y Componentes de Los Aerogeneradores

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