Aerogenerador
| ||||
Aerogenerador. Parte del sistema eólico para la producción de electricidad, llamada también turbina eólica, que se encuentra en la parte superior del sistema y que se apropia de la energía del viento a través del rotor.
Historia
La referencia mas antigua que se tiene es un molino de viento que fue usado para hacer funcionar un órgano en el siglo I era común. Los primeros molinos de uso práctico fueron construidos en Sistan, Afganistán, en el siglo VII. Estos fueron molinos de eje vertical con hojas rectangulares. Aparatos hechos de 6 a 8 velas de molino cubiertos con telas fueron usados para moler cereales o extraer agua. En Europa los primeros molinos aparecieron en el siglo XII en Francia e Inglaterra y se distribuyeron por todo el continente. Eran unas estructuras de madera, conocidas como torres de molino, que se hacían girar a mano alrededor de un poste central para levantar sus aspas al viento. El molino de torre se desarrollo en Francia a lo largo del siglo XIV.
El ejemplo más conocido de un pequeño aerogenerador fue el construido por Charles Brush, en Cleveland, Ohio, en 1888, el cual no tuvo el impacto esperado en ese momento, aunque después estas máquinas se difundieron por todos los Estados Unidos. De estos pequeños aerogeneradores, el más reconocido como pionero fue el construido por Marcellus Jacobs, que en los años veinte se dedicó a estudiar cómo adaptar los antiguos molinos de bombeo como aerogeneradores.
En Cuba
Desde la Comisión Nacional de Energía se impulsan importantes programas y proyectos en los que se incluye la energía eólica, y en el CIES continúan algunas investigaciones sobre el viento, lideradas por Fernando Boytel Jambú, quien había publicado en 1972 su singular y útil Geografía eólica de Oriente, obra pionera sobre el estudio regional del recurso eólico.
Como resultado del impulso realizado en la investigación a raíz de las crisis energética de 1973, a finales de la década de los setenta y principios de los ochenta, aparecen los primeros aerogeneradores comerciales de lo que se denomina nueva generación de sistemas de conversión eólica.
El 20 de mayo de 1993 el Comité Ejecutivo del Consejo de Ministros aprueba el Programa de Desarrollo de las Fuentes Nacionales de Energía, ratificado por la Asamblea Nacional del Poder Popular en junio del propio año, en el Primer Período Ordinario de Sesiones de la Cuarta Legislatura, en el que se convocó a todas las instituciones del país y a la población a participar en su perfeccionamiento progresivo y su materialización.
En esta decada el Instituto de Meteorología concluyó el proyecto «Evaluación del potencial eólico de Cuba» y al año siguiente comenzó un proceso de prospección eólica de cinco sitios de Cuba (Santa Cruz del Norte, Loma Colorada, Cayo Sabinal, Tumbadero y Punta de Maisí), que se prolongó hasta 1993. Este Proyecto obtuvo Premio Destacado en el VIII Fórum de Ciencia y Técnica, en 1994, con la participación de especialistas del Centro de Estudio de Tecnologías Energéticas Renovables (CETER), el Instituto de Meteorología (INSMET) y el Ministerio de la Industria Básica (MINBAS).
El estudio del viento con fines energéticos continuó durante el resto de los años noventa, cuyos resultados se integraron al proyecto «Mapa del potencial eólico de Cuba. Aplicación de un modelo de microescala (WAsP)», realizado en el 2004 por el INSMET, el Centro de Gerencia de Programas y Proyectos Priorizados (GEPROP), el CETER y el Centro Nacional de Áreas Protegidas, con el apoyo de CUBASOLAR.
A partir de las prospecciones eólicas realizadas y un conjunto de factores sinérgicos se concibe el proyecto más significativo del período: la creación del primer parque eólico demostrativo en la Isla de Turiguanó, en el Norte de la provincia deCiego de Ávila, con una potencia instalada de 0,45 MW. El 16 de abril de 1999 se realiza la primera conexión a la red eléctrica de los dos aerogeneradores de ese parque, que se inauguró oficialmente el 5 de junio del propio año, en celebración del Día Mundial del Medio Ambiente.
Tipos de Aerogenerador
Aerogenerador con rotor Savonius
Es el modelo más simple de rotor, consiste en cilindros huecos desplazados respecto su eje, de forma que ofrecen la parte cóncava al empuje del viento, ofreciendo su parte convexa una menor resistencia al giro. Se suele mejorar su diseño dejando un espacio entre ambas caras para evitar la sobre presión en el interior de la parte cóncava. Pueden construirse superponiendo varios elementos sobre el eje de giro.
No son útiles para la generación de electricidad debido a su elevada resistencia al aire. Su bajo coste y fácil construcción les hace útiles para aplicaciones mecánicas.
Aerogenerador con rotor Darrieus
Patentado por G.J.M. Darrieus en 1931, es el modelo de los aerogeneradores de eje vertical de más éxito comercial. Consiste en un eje vertical asentado sobre el rotor, con dos o mas finas palas en curva unidas al eje por los dos extremos, el diseño de las palas es simétrico y similar a las alas de un avión, el modelo de curva utilizado para la unión de las palas entre los extremos del rotor es el de Troposkien, aunque puede utilizarse también catenarias.
Aerogenerador con rotor Giromill
Este tipo de generadores también fueron patentados por G.J.M. Darrieus. Consisten en palas verticales unidas al eje por unos brazos horizontales, que pueden salir por los extremos del aspa e incluso desde su parte central. Las palas verticales cambian su orientación a medida que se produce el giro del rotor para un mayor aprovechamiento de la fuerza del viento.
Aerogenerador con rotor Windside
Es un sistema similar al rotor Savonius, en vez de la estructura cilíndrica para aprovechamiento del viento, consiste en un perfil alabeado con torsión que asciende por el eje vertical. La principal diferencia frente a otros sistemas de eje vertical es el aprovechamiento del concepto aerodinámico, que le acerca a las eficiencias de los aerogeneradores de eje horizontal.
Tripala
Es el más empleado en la actualidad, consta de 3 palas colocadas formando 120º entre si. Un mayor numero de palas aumenta el peso y coste del aerogenerador, por lo que no se emplean diseños de mayor numero de palas para fines generadores de energía de forma comercial, aunque si para fines mecánicos como bombeo de agua etc.
Bipala
Ahorra el peso y coste de una de las palas respecto a los aerogeneradores tripala, pero necesitan mayores velocidades de giro para producir la misma energía que aquellos. Para evitar el efecto desestabilizador necesitan de un diseño mucho mas complejo, con un rotor basculante y amortiguadores que eviten el choque de las palas contra la torre.
Monopala
Tienen, en mayor medida, los mismo inconvenientes que los bipala, necesitan un contrapeso en el lado opuesto de la pala, por lo que el ahorro en peso no es tan significativo.
Elementos de un Aerogenerador
Rotor
Se encuentra unido al eje principal para la transmisión del giro, y se puede dividir en 3 partes diferenciadas. Nariz: Es un elemento aerodinámico que se sitúa en frente de la dirección de viento sobresaliendo de la zona de unión entre las palas y el buje. Su misión consiste en redireccionar el viento de la parte frontal del rotor a los respiraderos de la góndola y a la vez evitar turbulencias en la parte frontal del rotor. Buje: Es la pieza de unión entre las palas y el eje principal, y por lo tanto el transmisor de la fuerza del viento al interior de la góndola. La unión al eje debe ser de forma rígida, pero con las palas pueden darse dos caso. El primero si es un generador de tres palas, en cuyo caso la unión alas palas debe comportarse también rígidamente, en el caso de aerogeneradores bipala es necesario que la unión entre palas y buje permita una ligera oscilación de hasta tres grados respecto al plano normal del eje de rotación. Palas: Las palas deben suelen ser fabricadas con materiales con gran resistencia estructural y ala fatiga para su correcto funcionamiento a lo largo de los 25 años de vida media que se supone a los aerogeneradores, teniendo en cuenta que estarán afectados de inclemencias climáticas, fuerte vientos y en los casos de aerogeneradores offshore a salinidad. Además deben ser fácilmente mecanizables para dotarlas de un diseño aerodinámico que minimice las cargas sobre el resto de la estructura y capte eficazmente la fuerza del viento. Los materiales empleados para cumplir todas estas premisas son materiales compuestos de fibra de vidrio y epoxis o poliéster, fibra de carbono etc.
Gondola
Es el chasis principal del aerogenerador, se sitúa en la parte superior de la torre y en su interior se encuentran los elementos eléctricos y mecánicos necesarios para convertir el giro del rotor en energía eléctrica. Se encuentra unida a la torre por una corona dentada para permitir la orientación del rotor al viento, y rotor y las palas por el eje principal que transmitirá la fuerza del viento al multiplicador y al motor sucesivamente. En su parte exterior lleva instalado un anemómetro y una veleta conectados a los sistemas de control de aerogenerador, y unos respiraderos para garantizar la refrigeración del motor. Se construyen en acero forjado y placas de fibra de vidrio.
Multiplicadora
El multiplicador es una caja de engranajes que convierte la baja velocidad de giro y alta potencia del eje principal en una velocidad de giro adecuada para el funcionamiento del motor a costa de la potencia. El giro se transmite del multiplicador a el motor mediante el eje secundario, de menor diámetro que el eje principal, de forma similar a como ocurría entre el rotor y la caja de engranajes con el eje principal. El tren de potencia es el encargado de transmitir la energía producida por el giro del rotor al motor de una forma aprovechable por este para la generación de energía eléctrica. Esta formado por el eje principal, caja multiplicadora y eje secundario. El eje principal es una pieza tubular de acero macizo de gran diámetro, unido solidariamente al rotor y que gira a velocidades de entre 22 y 64 r.p.m., según el modelo de aerogenerador y las condiciones de operación. Sin embargo un motor estándar de generación eléctrica necesita velocidades de giro de entorno a las 1500 r.p.m., por lo que es necesario un multiplicador que aumente la velocidad de giro transmitida.
Generador
El generador convierte la energía mecánica producida por el rotor en energía eléctrica. Existen tres tipos de generadores:
1) Asíncrono (jaula de ardilla).
- Más sencillo de fabricación.
- Menor versatilidad.
- Necesita una sincronización suave a red (tiristores).
- No regula el factor de potencia, necesita etapas de condensadores.
2) Asíncrono con rotor bobinado.
- Permite inyectar y extraer energía del rotor.
- Al inyectar diferentes frecuencias al rotor se consigue poder generar a velocidades muy diferentes de la de sincronismo.
- Generador de velocidad variable (de 900 a 1500 r.p.m.
- Al permitir la extracción de energía del rotor, se consigue generar hasta un 10% de la energía producida.
- Requiere sincronización a red antes de generar.
3) Síncrono (múltipolo).
- Control optimizado.
- No usa multiplicadora.
- Bajo deslizamiento.
- Reducción de tensión.
Suelen utilizarse generadores asíncronos de jaula de ardilla, junto con baterías de condensadores para mejorar su factor de potencia. La conexión a la red puede ser directa o indirecta a la red, dependiendo si la turbina trabaja a velocidad constante o variable. Trabajando conectado de forma indirecta a la red conseguimos aprovechar los picos de velocidad del viento, pero el generador produce energía de frecuencia variable por lo que se necesitan equipos de adecuación para volcar la energía en la red. En la forma directa de conexión, la propia red limita la velocidad de giro del generador, por lo que no aprovecha los picos de mayor energía del viento.
Sistema fe Giro y Angulación
Los sistemas de control en un aerogenerador tienen dos importantes cometidos, el primero es el aprovechamiento máximo de la fuerza del viento mediante la orientación del rotor, el segundo es la protección del aerogenerador ante velocidades de viento que podrían dañar la instalación. Para el cometido de la orientación el aerogenerador cuenta con equipos anemométricos y de medida de la dirección del viento instalado sobre la góndola. Los datos recogidos pasan al ordenador de control que según un algoritmo determinado decidirá como deberá mover la góndola gracias al sistema de corona dentada y motor de giro instalados en la base de la góndola en su unión con la torre. Es necesario aclarar que el control sobre la orientación de el rotor no se realiza a tiempo real, si no que el algoritmo, con los datos recogidos, debe ser capaz de garantizar que realmente el viento a cambiado de dirección de forma estable, antes de que se produzca el giro de la góndola, ya que en caso contrario daría lugar a un movimiento errático del sistema que reduciría su eficiencia. En los casos que el viento ha superado la velocidad nominal de trabajo, en la que se alcanza la máxima potencia producida por el equipo, y llega a la velocidad de parada, existen dos métodos de control, para evitar que puedan producirse daños. Activo: Mediante un dispositivo mecánico las palas giran el perfil enfrentado al viento cambiando su aerodinámica, por lo que para velocidades mayores de viento para las que están diseñadas a trabajar de forma óptima, aprovechan en menor medida, mediante el cambio de ángulo, la velocidad del viento, y la potencia suministrada y cargas inerciales permanecen en un rango de trabajo apropiados. Es el método más caro pero también es el que ofrece un mejor control. Pasivo: En este caso las palas no poseen ningún tipo de mecanismo de variación del ángulo ofrecido al viento, si no que permanecen fijas al rotor en todo momento. En su lugar, las palas con este mecanismo de control se diseñan de tal manera que para velocidades demasiado elevadas del viento se producen turbulencias en la parte de la pala de baja presión, por lo que la diferencia de presiones entre un lado y otro de la pala disminuye. Es decir, pasado un limite de velocidad del viento, este disminuye la fracción de energía transmitida al movimiento de las palas por las turbulencias ocasionadas, rebajando la velocidad de giro del rotor. Este método de control es mucho más económico, pero menos exacto y eficiente que el activo, aún así, al rededor de dos tercios de los aerogeneradores instalados hoy en día utilizan este método.
Sistema de Regrigeración
Su función es evacuar el calor del generador y demás sistemas eléctricos junto con el de todas las partes vitales sometidas a rozamientos que por su trabajo, que aunque estén bien lubricadas el calentamiento podría provocar su degradación y posible avería.
Torre
La torre es la estructura que soporta a una determinada altura al mecanismo productor de electricidad del aerogenerador. Al elevar los componentes se consigue un aprovechamiento mayor de la fuerza del viento, pues a una mayor altura sobre el nivel del suelo mayor será su velocidad, y por lo tanto, también la velocidad de rotación de las palas. Su diseño suele consistir en un tronco cónico o tubular hueco de acero, en cuyo interior se alojan los equipos accesorios de suelo y se facilita un acceso seguro mediante una escalera a la góndola.
