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Aerogenerador
Geowind Services
Los aerogeneradores o comúnmente conocidos como generadores eólico o molinos de viento son aquellas instalaciones que producen energía gracias al viento. En la actualidad la energía eolica es una energía muy madura que también esta asociada a las telecomunicaciones. Analizaremos los aspectos fundamentales y más importantes en la estructura de los aerogeneradores.
Los aerogeneradores se agrupan en grandes instalaciones llamadas parques eólicos que gracias a la conexión con una subestación es posible transportar la energía generada a través de la red y su posterior consumo doméstico.
Los aerogeneradores funcionan normalmente para un rango de velocidades de viento de entre 3-5 a 25 m/s. La limitación de 25 m/s se realiza por seguridad, para evitar posibles problemas en el conjunto palas/rotor.
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Tipo de aerogeneradores y su estrategia de regulación de potencia
Sistemas de paso variable (pitch regulation)
Este me todo de control consiste en que las palas varían su ángulo de incidencia con respecto al viento. Cuando la potencia generada es excesiva, las palas comienzan a girar sobre su eje longitudinal hasta adoptar la posición denominada de bandera. La resistencia entonces opuesta al viento es mínima, así como el par ejercido y la potencia generada. Un sistema electrónico vigila tanto la velocidad del viento, como la potencia generada y la posición de las palas modificando de manera continua la posición de estas y adaptándola a la intensidad de los vientos reinantes en ese momento. El diseño de aerogeneradores controlados por cambio del ángulo de paso requiere una ingeniería muy desarrollada, para asegurar que las palas giren exactamente el ángulo deseado. El mecanismo de cambio del ángulo de paso suele funcionar de forma hidráulica.
Las ventajas de este sistema de control son:
Con su implantación se logra una mayor vida del aerogenerador, al soportar estas menores cargas dinámicas. Al mismo tiempo se consigue un aumento del rendimiento de la instalación, ya que el viento ataca a los alabes siempre con el ángulo óptimo de incidencia. Así mismo, es posible el aprovechamiento de regímenes de vientos bajos.
Regulación pasiva por perdida aerodinámica (stall regulation)
Los aerogeneradores de regulación (pasiva) por perdidas aerodinámicas tienen las palas del rotor unidas al buje en un ángulo fijo. Sin embargo, el perfil de la pala ha sido aerodinámicamente diseñado para asegurar que, en el momento en que la velocidad del viento sea demasiado alta, se cree una cierta turbulencia en la parte de la pala que no da al viento. Esta pérdida de sustentación evita que la fuerza ascensional de la pala actúe sobre el rotor. Conforme aumenta la velocidad real del viento en la zona, el ángulo de ataque de la pala del rotor también aumentara ́, hasta llegar al punto de empezar a perder la sustentación. Si se observa con atención la pala del rotor de un aerogenerador regulado por perdida aerodinámica, llama la atención que la pala este ́ ligeramente curvada a lo largo de su eje longitudinal. Esto es así en parte para asegurar que la pala pierde la sustentación de forma gradual, en lugar de hacerlo bruscamente, cuando la velocidad alcanza su valor crítico.
La principal ventaja de esta regulación es que se evitan las partes móviles del rotor y un complejo sistema de control. Por otro lado, la regulación por perdida aerodinámica representa un problema de diseño aerodinámico muy complejo y comporta retos en el diseño de la dinámica estructural de toda la turbina, para evitar las vibraciones provocadas por la pérdida de sustentación.
Aerogeneradores de regulación activa por perdida aerodinámica
Un número creciente de grandes aerogeneradores (a partir de 1 MW) están siendo desarrollados con un mecanismo de regulación activa por perdida aerodinámica. técnicamente, las máquinas de regulación activa por perdida aerodinámica se parecen a las de regulación por cambio del ángulo de paso, en el sentido de que ambos tienen palas que pueden girar (a menudo solo utilizan unos pocos pasos fijos, dependiendo de la velocidad del viento).
Sin embargo, cuando la maquina alcanza su máxima potencia nominal, observara ́ que este tipo de máquinas presenta una gran diferencia respecto a las maquinas reguladas por cambio de ángulo de paso: si el generador va a sobrecargarse, la maquina girara ́ las palas en dirección contraria a la que haría una máquina de regulación por cambio de ángulo de paso. En otras palabras, aumentara ́el ángulo de paso de las palas para llevarlas hasta una posición de mayor pérdida de sustentación, y poder así consumir el exceso de energía del viento.
Una de las ventajas de la regulación activa por perdida aerodinámica es que la producción de potencia puede ser controlada de forma más exacta que con la regulación pasiva.
Otra de las ventajas es que la maquina puede funcionar casi exactamente a la potencia nominal a todas las velocidades del viento.
El mecanismo de cambio del ángulo de paso suele operarse mediante sistemas hidráulicos o motores eléctricos paso a paso.
Otros métodos de control de potencia
Algunos aerogeneradores modernos usan alerones (ale- tas) para controlar la potencia del rotor, al igual que los aviones. Otra posibilidad teórica es que el rotor oscile lateralmente fuera del viento (alrededor de un eje vertical) para disminuir la potencia. En la práctica esta técnica se usa para aerogeneradores muy pequeños.
3.5. Aerogenerador: componentes y funcionamiento Un aerogenerador moderno esta ́ compuesto por diferentes componentes con el fin de realizar la conversión de la energía cinética del viento a energía eléctrica, pasando por energía mecánica de rotación.
Estos componentes más representativos en el caso específico de un generador de eje horizontal son:
1- pala
2- soporte de la pala
3- actuador del ángulo de paso o pitch
4- buje
5- cubierta
6- soporte principal
7- eje principal
8- luces de señalización aérea, baliza o beacon
9- multiplicador
10- dispositivos hidráulicos de refrigeración
11- frenos mecánicos
12- generador
13- convertidor de potencia y dispositivos eléctricos de control, protección y seccionamiento; 14. transformador de potencia.
14- anemómetro y veleta.
15- estructura de la góndola o nacelle.
16- torre de soporte
17- mecanismo actuador de la orientación. Lugar donde se instalan las motoreductoras que van conectadas mediante engranaje a la torre y realizan el giro de la nacelle.
MULTIPLICADORA
La caja multiplicadora es una de caja de cambios similar a la de los automóviles, pero fija. Entran en ella, normalmente, entre 15 y 30 rpm que llegan de las palas a través del buje y salen alrededor de entre 1000 y 1500 rpm que van al generador. Esta velocidad es orientativa, ya que, para un generador doblemente inducido, con su electrónica de potencia asociada, esta diseñado para poder generar 50Hz o 60Hz fijos a una velocidad de generador variable. En uno de 1000rpm se suele trabajar entre 700 y 1300rpm.
Detalle de ensamblado del sistema de frenado con multiplicadora.
FRENOS
El freno en un aerogenerador se utiliza en caso de fallo del freno aerodinámico, o durante labores de mantenimiento. Casi todos los aerogeneradores incorporan frenos mecánicos a lo largo del eje de transmisión como complemento al freno aerodinámico. En muchos casos, además de ´ actuar como “frenos de parking” e impedir que el rotor gire cuando el aerogenerador esta fuera ´ de servicio, los frenos mecánicos son capaces de detener el rotor en condiciones meteorológicas adversas.
Los frenos mecánicos que se usan comúnmente son de dos tipos: frenos de disco y frenos de fricción.
Los frenos de disco funcionan de una forma similar a los de los automóviles: un disco metálico está fijado al eje que debe frenarse. Durante la fase de frenado, unas pinzas accionadas hidráulicamente aprietan unas zapatas contra el disco, creando un par de frenado suficiente. Los frenos pueden instalarse asociados a ambos lados del multiplicador (baja, del orden de 50rpm o alta, del orden de 1000rpm), teniendo en cuenta factores como el par de freno a aportar o la velocidad de desgaste en ambos casos.
Las especificaciones de los frenos generalmente implican tiempos de frenado inferiores a los 5s, ser capaces de funcionar sin alimentación externa y poder mantener el rotor en parada total durante más de una hora.
Método y sistema de generación de energía
Existen diferentes tipos de generadores que son empleados en turbinas eólicas actuales y vamos a distinguir:
Aerogeneradores de paso fijo
Aerogeneradores de paso variable
Aerogeneradores de velocidad de rotación fija
En este tipo de generadores típicos de los años 90, el rotor gira a una velocidad prácticamente fija, independientemente de la velocidad del viento. La velocidad de giro del rotor viene dada por la frecuencia de red, así como por la relación de la multiplicadora y el número de polos del generador eléctrico. En estos aerogeneradores se emplea normalmente una maquina eléctrica de inducción (de jaula de ardilla) conectada directamente a la red. Se suelen equipar también con un arrancador suave, para reducir la corriente de arranque. En realidad, el generador en este caso, conocido normalmente también como maquina síncrona, es empleado habitualmente como motor en otros entornos industriales.
Un ejemplo de este aerogenerador de jaula de ardilla es la Vestas V39.
Aerogeneradores de velocidad de rotación variable:
Este tipo de turbinas eólicas son las más instaladas en los últimos anos. Frente al supuesto de la velocidad de rotación fija, en este caso el diseño permite alcanzar la máxima eficiencia aerodinámica para un amplio rango de velocidades de viento. Esto se consigue adaptando de manera continua la velocidad de giro de las palas a la velocidad de viento, pudiendo así mantener la TSR en un valor optimo.
En estos sistemas el par electromagnético se mantiene constante, siendo el rotor, con sus variaciones de velocidad, el que absorberá las variaciones de velocidad del viento. En este caso el sistema eléctrico es m as complejo, incorporándose generadores síncronos o asíncronos conectados a la red mediante un convertidor de potencia que controla la velocidad del rotor. Las ventajas que presenta este diseño son:
Mejora en la eficiencia al ser capaz de extraer mayor potencia del viento
Mejora en la calidad de la potencia vertida a la red
Reducción en las tensiones mecánicas soportadas
Como desventajas cabe citar el mayor coste del equipo eléctrico asociado y las pérdidas de potencia derivadas del uso del convertidor.
Desde el punto de vista de los generadores empleados, existen diversas configuraciones posibles:
Generadores asíncronos de rotor bobinado con resistencia variable externa
Generadores asíncronos de rotor bobinado con un convertidor de potencia interpuesto entre el rotor y la red (configuración doblemente alimentada)
Sistema de control
El sistema de control se puede entender como el “cerebro” del aerogenerador, en el sentido que regula su funcionamiento, por ejemplo, los procesos de arranque y parada de la turbina. También se encarga de vigilar que la operación del aerogenerador se dé dentro de un rango preestablecido, evitando que, por ejemplo, se alcancen velocidades del rotor peligrosas para la integridad de las palas. Lógicamente, el sistema de control también vigilar a el correcto funcionamiento de las partes eléctricas. En el caso de detectar un funcionamiento no esperado, el sistema de control se encargará de la desconexión del aerogenerador de la red. Desde el punto de vista de implementación práctica, la lógica de control se puede encontrar implementada en un PLC (Programmable Logic Controller).
Las señales que se pueden monitorizar: velocidad del rotor, generador (V e I), rayos y carga asociada, temperatura (exterior, interior, aceite multiplicador, devanados del generador), presión hidráulica, ángulo de paso de cada pala del rotor, ángulo de orientación, dirección y velocidad del viento, vibraciones en la nacelle y palas del rotor, puerta de la torre (sistema de alarma), etc.
