funcionamiento y componentes de los aerogeneradores

7/25/2019 Funcionamiento y Componentes de Los Aerogeneradores

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[AFO009178] Curso Prctico de Aplicaciones y Funcionamiento de la Energa Elica

[MOD008576] Aplicaciones y Funcionamiento de la Energa Elica

[UDI036077] Funcionamiento y componentes de los aerogeneradores

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1. Principales partes de un aerogenerador

Cuando observamos un aerogenerador de eje horizontal, los elementos que a simple vista

distinguimos son:

Las palas.

La gndola.

La torre.

Sin embargo, ellos son slo la parte visible, y estn compuestos a su vez por muchos elementos que

son los que hacen que la energa del viento que gira el rotor del aerogenerador se convierta enenerga elctrica.

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


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Las palas del rotor captan la energa del viento mediante la accin de las fuerzas

aerodinmicas.

Estas palas transmiten su giro a un eje alojado en la gndola, dnde tambin estn el

generador elctrico, el multiplicador y los mecanismos de control.

La gndola descansa sobre una placa o plataforma, que adems gira con el fin de orientar el

rotor de manera que su eje de giro permanezca paralelo al viento.

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

propio.


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2. La torre

Soporta la gndola y el rotor. La altura de la torre suele ser igual al dimetro del rotor, o por lo

menos, del mismo orden. Para aeroturbinas pequeas, es bastante mayor. Las torres pueden ser de

diferentes tipos:

Tubulares.

De celosa.

De mstil.

2.1. Torres tubulares

La mayora de los aerogeneradores se construyen con este tipo de torre. Se fabrican con planchas de

acero curvadas y soldadas. Est compuesta por secciones de 20 30 m, ya que sera imposible

transportar una torre con su altura completa, que pueden ser 60 70 m. Los distintos tramos se

unen mediante bridas en cada uno de los extremos. Las bridas son unos anillos de acero laminado en

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

aerogeneradores.

Las torres son tronco-cnicas (el dimetro 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 metlica se puede subir a la gndola 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

afectaran a las caractersticas de resistencia de materiales de la torre. La iluminacin tambin es

gobernada por el controlador.

Es importante realizar un diseo optimizado de la torre, pues contribuye en gran medida al precio

total del aerogenerador. Las comprobaciones a realizar son: verificacin de la respuesta dinmica,

asegurando que las frecuencias naturales no coinciden con las de excitacin del rotor; comprobacin

de uniones soldadas y atornilladas; verificacin de la estabilidad (pandeo) de la torre y

comprobacin a fatiga y pandeo local en zonas de puertas.

2.2. Torres de celosa

Se fabrican con perfiles de acero soldados, de base triangular o cuadrada, ancladas en hormign. No

van arriostradas.


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La ventaja bsica de las torres de celosa es su coste, puesto que una torre de celosa requiere slo

la mitad de material que una torre tubular, sin sustentacin adicional, con la misma rigidez. Tienendemasiadas uniones que deben ser comprobadas peridicamente. La principal desventaja de este

tipo de torres es su apariencia visual, por razones estticas las torres de celosa han desaparecido

prcticamente en los grandes aerogeneradores modernos.

2.3. Torres de mstil

Se emplean para los aerogeneradores pequeos. stos estn montados sobre delgadas torres de

mstil sostenidas por cables arriostrados. La ventaja es el ahorro de peso y, por lo tanto, de coste.

Las desventajas son el difcil acceso a las zonas alrededor de la torre, lo que las hace menos

apropiados para zonas agrcolas.


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2.4. Zapata o cimentacin

Es la parte que permite asegurar la torre vertical, absorber los esfuerzos de rotor y gndola y

transmitirlos correctamente al terreno. Se calcula en funcin del tipo de suelo y de las dimensiones

del aerogenerador.

El tipo de cimentacin que ms 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 celosa para pequeos aerogeneradores llevan

zapatas menores. Si la ubicacin fuera sobre roca, la cimentacin sera a base de barras incrustadas

profundamente en la misma, que absorberan las cargas de tensin, independientemente de que se

construyera una base de apoyo de cemento.

Hay que comprobar que no se superan las tensiones mximas admisibles en el terreno. Tambin

requiere especial cuidado el diseo de detalle de la unin entre la junta de la base de la torre y la

cimentacin, debiendo asegurarse una buena transmisin de los esfuerzos de la junta hasta las

varillas de armadura.

En las siguientes imgenes 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 captacin, el que recibe la corriente de aire. Incluye el buje y las palas, ambas

partes se pueden ver en la siguiente imagen.

3.1. Palas

Las turbinas elicas pueden tener en el rotor diferente nmero de palas. La regla general, en

principio, es: un menor nmero de palas en el rotor permite mayor velocidad de giro en el eje del

mismo, por eso el nmero de palas puede ser 1, 2, 3 4, ya que un nmero mayor no se traduce en

un aumento significativo del rendimiento y s supone un encarecimiento del sistema, ya que las palas

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 diseo es muy parecido al del ala de un avin, es decir, un diseo aerodinmico que le

permita aprovechar al mximo la fuerza del viento, minimizar las prdidas por rozamiento, evitar las

deflexiones excesivas que hagan que al doblarse choquen con la torre, resistir cargas extremas y las

cargas por fatiga, segn se hayan diseado.

Las palas pueden disponerse de dos formas, dando lugar a dos tipos de aerogeneradores:

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


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velocidad del viento.

De paso variable: la inclinacin de palas va a depender de la velocidad del viento, adaptndose

as a las condiciones atmosfricas.

Debido a la cintica misma de la hlice se hace importante reducir al mximo las masas rotantes,

siendo el peso de las palas ms que significativo. Las palas deben ser a la vez robustas y ligeras, con

una superficie exterior de acuerdo con los requerimientos aerodinmicos. La mayora de las

modernas palas de rotor de grandes aerogeneradores estn fabricadas con materiales compuestos,

normalmente dos. Generalmente se emplea un material plstico, como polister o resinas epoxi, que

sirve de matriz de unin; y fibra de vidrio como material de refuerzo, aunque tambin las hay de

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

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

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

rea. Las aleaciones de acero y de aluminio tienen problemas de peso y de fatiga del metal,

respectivamente. Actualmente slo son utilizadas en aerogeneradores muy pequeos.

Una mquina comercial debe poseer un nivel de emisin de ruido reducido, por esto, y teniendo en

cuenta que esta emisin aumenta potencialmente con la velocidad en punta de la pala, la velocidad

de rotacin y la de punta de pala no deben exceder cierto nivel.

3.2. Perfil de las palas

Las palas del rotor de un aerogenerador son muy similares a las alas de un avin. De hecho, los

diseadores de palas de rotor usan a menudo perfiles clsicos de alas de avin como seccin

transversal de la parte ms exterior de la pala.

Sin embargo, los perfiles gruesos de la parte ms interior de la pala suelen estar especficamente

diseados para turbinas elicas.

La eleccin de los perfiles de las palas del rotor conlleva una solucin de compromiso entre unas

caractersticas adecuadas de sustentacin y prdida de sustentacin, y la habilidad del perfil para

funcionar bien, incluso si hay algo de suciedad en su superficie, factor que puede ser problemtico


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en reas en las que llueve poco.

Prueba de palas

En los procesos de prueba, las palas son flexionadas utilizando un ciclo prximo a la frecuencianatural de la pala.

Lafrecuencia naturales con la que la pala oscilar de una parte a otra, al empujarse una vez en una

determinada direccin y luego soltarla. Las frecuencias naturales son diferentes en la direccin de

flap y en la direccin perifrica: la pala tiende a ser mucho ms rgida en la direccin perifrica, por

lo que tiene una frecuencia natural ms alta para la flexin perifrica.

Las palas se ponen en movimiento mediante el accionamiento de un motor elctrico montado sobre

la pala, que balancea un peso hacia arriba y hacia abajo. Las cimentaciones que soporta el casquillo

de la pala deben ser muy slidas: la cimentacin de un gran casquillo de pala se compone de 2.000

toneladas de hormign.

Las especificaciones de las pruebas de homologacin para las palas son muy estrictas, precisando de

ensayos fsicos tanto de las propiedades de fatiga (ensayo de fatiga) como de las propiedades de

resistencia (ensayo esttico). En realidad los requerimientos para las pruebas de homologacin de

las palas del rotor son ms o menos rigurosos segn el pas en el que nos encontremos.

3.3. Buje

El buje del rotor, mostrado en las siguientes imgenes, est 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 lamisma velocidad.

A travs del buje se transmite el par motor al generador, y en general todas las cargas

aerodinmicas y el peso de las palas a la gndola, y de ah a la torre.


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En las turbinas de tres palas los bujes suelen ser rgidos para evitar complicaciones mecnicas. Si

las palas son de paso variable, el buje incorporar cojinetes en la raz de cada pala para permitir el

movimiento de cambio de paso, as como el mecanismo para efectuarlo, que puede ser por motores

elctricos dentro del buje o por un sistema actuador de varilla, que es movida desde fuera del buje

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

3.4. La gndola

Contiene elementos claves del aerogenerador, como la caja de cambios y el generador. En las

turbinas grandes puede tener el tamao de un microbs y el personal de mantenimiento accede a

ella desde la torre.

Usualmente es una pieza metlica forjada sobre la cual se montan las diferentes partes del tren de


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

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


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4. Sistema de transmisin

Est formado por los elementos que transmiten el movimiento del rotor al generador. Lo componen

el eje principal, el multiplicadory el eje de alta velocidad.

En elica de pequea potencia (menos de 10 kW de potencia elctrica nominal) se utilizan

comnmente generadores de imanes permanentes, especialmente diseados para ser acoplados a

turbinas elicas y, por tanto, no se utiliza una caja de aumento de velocidad de rotacin,

realizndose una conexin directa entre el rotor y el generador. Estos equipos elicos generalmente

giran a velocidades hasta de 500 r.p.m.

Para equipos elicos de mayor capacidad (varias decenas o centenas de Kw de potencia elctrica

nominal) se requiere una caja de aumento de velocidades para excitar el generador elctrico a

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

r.p.m. dependiendo de su dimetro.

4.1. El tren de potencia

Las funciones del tren de potencia no se limitan a transmitir la potencia mecnica con el mayor

rendimiento posible, sino que sus componentes deben estar diseados para soportar los esfuerzos de

empuje transmitidos por el rotor elico. Por otra parte, un buen diseo del tren de potencia debe

garantizar que todos sus elementos sean de fcil montaje y sustitucin en caso de avera.

La configuracin del sistema de transmisin en las turbinas de eje horizontal est condicionada por

la posicin del rotor elico. 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 dimetro de la turbina.

La configuracin ms habitual del tren de potencia consiste en ubicar todos los elementos que lo

componen dentro de la gndola y alinearlos segn el eje de giro detrs del rotor elico. No obstante,

existen diseos del tren de potencia, sobre todo antiguos, en donde parte de sus componentes estn

ubicados fuera de la gndola.

En la siguiente imagen se puede un esquema resumido de los componentes ms generales de un

tren mecnico.


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A continuacin, se indican las ventajas e inconvenientes de cada uno de estos diseos.

1. Diseo estndar: el diseo ms habitual del tren de potencia consiste en ubicar la caja

multiplicadora y el generador elctrico detrs del rotor elico y dentro la gndola. Otros

componentes auxiliares como los motores de orientacin o el grupo hidrulico se ubican tambin en

la gndola. La principal ventaja de esta configuracin es que se puede considerar como la ms

compacta posible. Sin embargo, presenta algunos inconvenientes: en primer lugar, el peso total del

tren de potencia se concentra en la parte superior de la torre, lo que condiciona de forma definitiva

el diseo estructural de toda la turbina; por otra parte, los aspectos relativos a accesibilidad y

mantenimiento de componentes se hacen ms complejos.

2. Generador de eje vertical en la zona superior de la torre: una forma de reducir peso en la

gndola es utilizar un generador elctrico de eje vertical en la zona superior de la torre. Con esta

configuracin se evita el problema de retorcimiento de los cables de potencia durante los procesos

de orientacin, sin embargo las desventajas de esta configuracin son numerosas, ya que es

necesario utilizar una caja multiplicadora ms compleja con engranajes cnicos. Adems, el par que

opone el generador presenta una componente vertical que puede afectar al rotor durante paradas deemergencia.

3. Generador en la base de la torre: la solucin ms radical para solucionar el problema de peso

excesivo en la gndola es ubicar los componentes del tren de potencia en la base de la torre. Esta

opcin implica que el eje lento de la caja multiplicadora debe tener una longitud similar a la altura

de la torre. Una alternativa a este diseo es mantener la caja multiplicadora en la gndola y el

generador en la parte inferior de la torre. En cualquier caso, la excesiva longitud de algunos de losejes de acoplamiento hace que hayan aparecido problemas de vibraciones en los escasos prototipos


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de estas caractersticas.

4. Generador directamente acoplado:los diseos basados en generadores multipolares

directamente acoplados al rotor elico, y que no utilizan multiplicadora, son hoy da una de las

opciones ms utilizadas en los sistemas elicos de produccin de energa elctrica. Los primeros

diseos comerciales basados en este concepto son del fabricante alemn ENERCON en sus modelos

E-33, E-44 (mostrado en la siguiente imagen) y E-53, E-70 y E-82. Este tipo de diseo se basa en

utilizar generadores sincrnicos de excitacin independiente, con un nmero elevado de polos y

gobernados mediante un convertidor electrnico que desacopla la frecuencia de funcionamiento del

generador con la frecuencia de la red.

4.2. El eje principal

Tambin 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 l mediante un gran nmero de tornillos. A travs de l se

transmite el par y adems soporta el peso de las palas. A su vez es soportado por cojinetes que

transmiten las cargas a la gndola.

En ocasiones, algunos de esos cojinetes estn integrados en el multiplicador, otras veces se

conectan al multiplicador a travs de un acoplamiento hidrulico 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 hidrulico o


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elctrico para permitir el funcionamiento de los frenos aerodinmicos, del paso variable o controlar

los sensores del rotor.

4.3. Caja multiplicadora

Tambin 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 ms rpido (entre 50 y 79 veces

ms rpido, dependiendo de la velocidad de la turbina), a la velocidad de giro del generador.

El eje principal gira lentamente y enva una gran cantidad de potencia al multiplicador. En el

multiplicador, mediante un sistema de engranajes, cambia la potencia, por lo que en lugar de girarlentamente con mucha potencia en cada revolucin, gira ms rpidamente con menos potencia.

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

En ambos casos existe un lmite mximo de cambio de velocidad que pueden realizar.

Estn sometidas a cargas muy importantes transmitidas a travs 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 ms 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 ms importante, aunque

en la actualidad el ruido que produce la caja de cambios se ha reducido considerablemente.

Para disear correctamente una caja multiplicadora no es suficiente conocer las velocidades y pares

que transmitirn 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 sistemticos en los

primeros diseos.

Para que el fabricante de cajas multiplicadoras sea capaz de realizar un diseo adecuado de los

engranajes, ejes y apoyos es necesario que conozca las solicitaciones mecnicas y esfuerzos que sus

componentes han de transmitir y soportar durante toda la vida til del componente. Esta

informacin previa se conoce tras un detallado estudio de cargas que el diseador del

aerogenerador debe proporcionar.

El parmetro de diseo ms importante es el par transmitido por el eje de baja en condiciones

nominales, sin embargo este par est sujeto a variaciones importantes. Una forma de considerar las

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 operacin de la caja multiplicadora. El diseo ha de

realizarse de tal forma que la lnea de resistencia a fatiga del material, en funcin del nmero de

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

4.4. Eje de alta velocidad

Tambin llamado eje pequeoo eje rpido. Conecta el multiplicador con el generador elctrico.

Este eje no tiene que transferir tanta fuerza de giro como el eje principal, por eso que es mucho ms

delgado. Por otro lado, gira muy rpidamente: 1.500 revoluciones por minuto, lo que permite el

funcionamiento del generador elctrico. Est equipado con un freno de disco mecnico de

emergencia, que se utiliza en caso de fallo del freno aerodinmico o durante las labores de

mantenimiento de la turbina. La normativa obliga a que los aerogeneradores lleven dos sistemas de

frenado: uno puede ser aerodinmicoy otro mecnico.

4.5. Sistemas de frenado. Freno aerodinmico y mecnico

Freno aerodinmico

Tambin llamado freno en punta de pala, consiste bsicamente en frenar el movimiento de las

palas girndolas unos 90 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 elctrico, sigan funcionando, y se activen automticamente si el sistema hidrulico

de la turbina pierde presin. Una vez que la situacin de peligro ha pasado el sistema hidrulico de

la turbina suele devolver las palas a su posicin original.

La experiencia demuestra que los sistemas de freno aerodinmico son extremadamente seguros.

Frenarn la turbina en cuestin de un par de vueltas como mucho.

Adems, ofrecen una forma muy suave de frenar la turbina, sin ningn esfuerzo, desgaste o rotura

importante en la torre o la maquinaria.

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

sistema de freno aerodinmico.

Freno mecnico

El freno mecnico se sita en el eje pequeo, el rpido, entre la multiplicadora y el generador. Sus

requerimientos pueden ser importantes ya que tiene que se capaz de resistir el mximo par motor

aerodinmico y absorber la energa correspondiente durante un perodo de 5 segundos.

Pueden ser de disco o zapata y suelen estar actuados hidrulicamente. Slo se utiliza como freno de

emergencia en caso de que el freno en punta de pala falle.

Tambin se utiliza cuando el aerogenerador est 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 empezar a girar.

El freno mecnico es utilizado como sistema de apoyo del sistema de freno aerodinmico, como

freno de estacionamiento, una vez que la turbina ha sido parada, en el caso de una turbina de

regulacin por prdida aerodinmica.

Las turbinas de regulacin por cambio del ngulo de paso no suelen necesitar activar el freno

mecnico (excepto en trabajos de mantenimiento), dado que el rotor apenas si puede moverse

cuando las palas del rotor estn giradas 90 grados.


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4.5.1. Sistema de regulacin de giro

Un dispositivo fundamental en un aerogenerador elico es el que permite la regulacin y control del

nmero de revoluciones, que adems sirve de proteccin de dicha mquina para velocidades del

viento superiores a las admisibles bajo el punto de vista estructural.

Cuando una mquina est sometida a una determinada velocidad del viento comienza a girar; dicha

velocidad es la velocidad de conexin, pero su giro es lento y la mquina est lejos de generar su

mxima potencia. De esta manera, a medida que la velocidad del viento aumenta, el rotor gira ms

deprisa y la potencia que produce tambin aumenta; a una determinada velocidad (nominal), el rotor

gira a las revoluciones precisas para que la mquina proporcione su potencia nominal; a partir de

este momento, aunque aumente la velocidad del viento, no interesa que la velocidad de giroaumente, por lo que hay que actuar sobre ella regulando su velocidad.

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

aumenta mucho, el rotor se tiene que frenar.

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

utilizados para que dicha desconexin se produzca se llaman de proteccin.

En las primeras aeroturbinas el paso de la pala era fijo, por lo que las rfagas de viento provocaban

fuertes sobrecargas mecnicas sobre los componentes de la turbina, que tenan que estar

sobredimensionadas.

Con la introduccin del paso variable se limitan las cargas mximas en la turbina, y con esta

innovacin comienza el proceso de disminuir los esfuerzos mecnicos que se generaban durante lasrfagas de viento en los momentos en que su velocidad media era del orden de la nominal,

inicindose tambin el proceso de ofrecer rotores de varios dimetros para adecuarse a las

condiciones del emplazamiento.

Para las mquinas elicas que accionan un generador elctrico existen diversos sistemas de

regulacin, tales como:

Regulacin por frenos aerodinmicos


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Se activan por la accin de la fuerza centrfuga, y que actan cuando el giro del rotor no es el

adecuado por sobrepasar un cierto valor.

Todos ellos se basan en el efecto de la fuerza centrfuga de rotacin y la actuacin del frenado

aerodinmico se realiza mediante un dispositivo adecuado, que consiste en colocar perfiles

aerodinmicos en los extremos de las palas del rotor que actan cuando ste alcanza altas

velocidades. El sistema implica la regulacin por variacin del ngulo de inclinacin de las palas,

que puede ser de toda la pala, de parte de la pala o mediante alerones.

La sencillez de los mecanismos de regulacin es una de las principales caractersticas de los

aerogeneradores de baja potencia.

Los sistemas, cada vez ms complejos, se simplifican mediante la introduccin de nuevas tecnologas

y los nuevos materiales permiten disear elementos resistentes y flexibles que facilitan la

regulacin.

La regulacin por medio de palas orientables es la ms utilizada en las grandes mquinas. Su

funcionamiento consiste en actuar sobre el ngulo de calaje de cada pala, ya que como es sabido la

fuerza aerodinmica que acta sobre ella es funcin del ngulo que, a su vez, lo es tambin del

ngulo de ataque y del de calaje , ( = + ); as se consigue variar la fuerza aerodinmica que

acta sobre la pala sin ms que hacer variar el ngulo de calaje, que se controla por procedimientos

mecnicos relacionados con la velocidad de ataque del viento.

En las siguiente imagen se puede ver la regulacin del ngulo de inclinacin de las palas mediante

resortes, por accin de la fuerza centrfuga.

Una variante del sistema de regulacin por alerones es el sistema dans en el que el extremo de las

palas juega el papel de freno aerodinmico con viento fuerte; con viento normal el alern mvil que


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se encuentra en la prolongacin de la pala, cuya superficie es del orden de la dcima parte de la de

la misma, constituye el elemento de frenado que se acciona mediante un servomotor hidrulico. En

caso de velocidad excesiva llega a girar 60, introduciendo as un par de frenado considerable. Otra

solucin consiste en accionar los alerones mediante un regulador centrfugo.

En la siguiente imagen se puede ver el sistema de regulacin centrfugo del ngulo de inclinacin de

las palas mediante bieletas.

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

Mediante el control electrnico de la potencia

Se puede variar la velocidad del rotor, en un pequeo margen, mediante resistencias rotricas

variables, controladas por un microprocesador y accionadas por interruptores estticos. De esta

forma se consigue variar el deslizamiento del generador, y con ello la velocidad del rotor.

Regulacin por desenganche de las palas

Mediante la accin de una varilla, stas se pueden dejar en una posicin en la que no acte sobre

ellas el viento. Esta situacin se conoce tambin como regulacin por bandera y se utiliza en

aquellas mquinas elicas cuya velocidad de giro no tiene la necesidad de ser constante, por no

accionar generadores elctricos. Los dispositivos que utilizan el desenganche aerodinmico de las


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palas originan vibraciones, debido a las estelas que aparecen sobre el extrads de las palas. Los

dispositivos que colocan las palas paralelamente a un viento de velocidad fuerte son mejores.

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

Regulacin por orientacin del rotor

Se da en aerogeneradores de baja potencia. Cuando la velocidad del viento comienza a ser peligrosa

para la hlice pone sus palas orientadas de modo que ofrezcan al viento la mnima superficie posible

para que ste no interaccione con ellas.

En los dispositivos de palas fijas, los procedimientos que conseguan la regulacin del giro del rotor

hacan que el plano del mismo girase de manera que la superficie que se ofreca al viento

disminuyera. Esto se consegua con una conexin que articulaba el eje del rotor con el eje de

transmisin, o colocando una excntrica que haca que la fuerza de empuje del viento produjese un

par que desorientaba el plano del rotor. En estas situaciones la hlice dejaba de estar en posicin

frontal a la direccin del viento.

Otras formas de frenado

El frenado aerodinmico con palas huecas (mostrado en la siguiente imagen) permite reducir la

velocidad del aerogenerador mediante la aparicin de una corriente de aire en la periferia de las

palas, en el supuesto de que stas se hayan construido huecas.


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Encontramos el frenado aerodinmico con una hlice secundaria fijada a la hlice principal, as la

gran anchura de la hlice secundaria permite asegurar el arranque de la aeroturbina, as como el

frenado cuando el viento es demasiado fuerte.

A partir de una cierta velocidad, por efecto de la fuerza centrfuga, las palas del regulador se

separan de la hlice principal, de forma que el sentido de rotacin alrededor de su propio eje es tal

que su ngulo de asiento se anula, adquiriendo a continuacin un valor negativo; el par que era

motor en el arranque y con velocidades pequeas, pasa a valer cero y despus se convierte en par

resistente, no permitiendo que la mquina se embale.

4.6. Sistema de orientacin. Instrumentos y accionamientos

Uno de los principales problemas que plantean los aerogeneradores de eje horizontal es la necesidad

de su orientacin, de forma que el viento incida perpendicularmente al disco barrido por el rotor,

con el fin de obtener la mxima potencia a base de hacer incidir la mayor cantidad posible de masa

de aire en movimiento y as obtener la mayor cantidad posible de energa cintica

Normalmente, la turbina slo se orientar unos pocos grados cada vez cuando el viento cambia de

direccin.

Motores de orientacin

Se trata de un motor que mueve la gndola 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 orientacin, que hay en la parte superior de la torre. La velocidad de orientacin


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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 cunto debe girarse el sistema se obtienen una serie de datos sobre la direccin e

intensidad del viento, con las lecturas de un anemmetroy unaveleta, estos instrumentos se

montan en la parte posterior superior de la gndola, 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

orientacin

Hay otros parmetros que cuando son detectados por el controlador hacen que ste d la orden de

giro. Se trata del sensor o contador de torsin, el cual si la turbina se sigue orientando durante

mucho tiempo en un mismo sentido, los cables que llevan la corriente desde el generador hacia

abajo a travs de la torre se irn retorciendo, llegando a un momento en el que deban

distorsionarse. En ese momento, la turbina girar, orientndose continuamente en la misma

direccin durante los giros.

El anemmetro

El anemmetromide 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 cunto viento hay.

Normalmente se emplea un anemmetro de eje vertical y tres cazoletas.


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Si el viento es demasiado fuerte el aerogenerador puede romperse. Esta es la razn por la que se

detiene el aerogenerador cuando el viento excede los 25 m/s. Cuando el viento cae el anemmetro le

dice al controlador que puede conectar la turbina de nuevo.

Veleta

Unaveletasiempre se posiciona a s misma de acuerdo con la direccin del viento.

Hay un pequeo sensor al pie de la veleta que avisa al controlador del aerogenerador de cul es la

direccin del viento. El controlador le dice al motor de orientacin que oriente (gire) la gndola para

que el rotor encare al viento.

Corona de orientacin

Es una rueda dentada que se monta sobre la torre y que engrana con la rueda dentada del motor de

orientacin. En algunas coronas de orientacin los dientes apuntan hacia fuera, mientras que en

otras estn girados hacia adentro. Esto depende de la posicin del motor de orientacin.


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Freno en orientacin

Para mantener el aerogenerador orientado en una direccin fija se requieren frenos que tengansuficiente capacidad de retencin para que el engranado entre corona de orientacin y pin del

motor de giro no sufra desgastes prematuros. Su accionamiento puede ser hidrulico o elctrico,

actuando en pinzas de freno o motor elctrico respectivamente.

4.6.1. Sistema de orientacin en minielica

Para pequeos aerogeneradores, existen diversos sistemas que permiten la orientacin de la

mquina:

Una cola o veleta; mtodo muy eficaz sobre todo en mquinas pequeas.

Un sistema de orientacin accionado por rotores auxiliares.

Un servomotor controlado electrnicamente.

Un sistema de orientacin por efecto de la conicidad que se da a las palas en su disposicin y

montaje sobre el cubo del rotor.

Las veletas o timones son dispositivos de orientacin situados en la prolongacin del eje del rotor, y

tienen por misin orientar la aeroturbina en la direccin del viento. Estn constituidas por una

superficie plana metlica o de madera, sobre la que el viento ejerce una presin en el momento en

que no estn orientadas paralelamente en la direccin del mismo, provocando un par de giro que

orienta la mquina.

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 mquina 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 orientacin de las mquinas elicas consiste en la utilizacin de rotores

auxiliares colocados en un plano ortogonal al plano del rotor del aerogenerador; cuando ste no est

orientado correctamente, los rotores elicos auxiliares comienzan a girar y hacen que la mquina

principal se oriente correctamente.

En la siguiente imagen se puede ver una imagen general y una vista en planta del sistema de

orientacin del rotor mediante timn de cola.

Generalmente, en equipos pequeos (esto es hasta 10 Kw. de Potencia Nominal) el sistema de

seguridad est asociado con el sistema de orientacin. Este consiste en una cola o veleta detrs del

rotor que mueve el rotor en el plano vertical ya que el rotor est descentrado con respecto al eje

central de la torre, como se ilustra en la figura siguiente.


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Con esta combinacin, 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 rotacin. A mayores incrementos de viento se lograr que el rotor pare, logrndose

total desconexin y proteccin total del equipo.

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

controles electrnicos para proteccin directa de los elementos que integran el equipo.


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5. Sistema de generacin

Est formado por el generador elctrico, el cableado de potencia y el transformador interno.

5.1. Generador elctrico

Es el nico elemento del sistema de generacin que se encuentra por completo en la gndola. En el

generador es donde la energa mecnica del eje que gira se transforma en energa elctrica. Suele

llamarse generador asncrono o de induccin. Es un aerogenerador moderno y su potencia mxima

suele estar entre 500 y 3.000 KW. La electricidad producida (elevar la tensin y reducir intensidad)

es enviada a la red.

En funcin del tipo de corriente que se obtiene con ellos, a groso modo existen dos tipos de

generadores elctricos:

Generador de corriente continua (dnamo).

Generador de corriente alterna (alternador).

Estos transformadores convierten la energa mecnica en energa elctrica, teniendo en cuenta las

prdidas ocurridas dentro del generador.

5.1.1. Generador de corriente continua

Est formado por:


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El circuito magntico (bobina de conduccin), que crea un campo de induccin en el

entrehierro y recibe el nombre de inductor.

El bobinado de inducido, en el que se recupera la energa elctrica producida por la rotacin

del rotor accionado por el aeromotor.

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

tiene dos sectores aislados de 180.

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 utilizacin. En realidad, el

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

mismo polo.

Si se considera que ese flujo producido por la bobina de excitacin es constante (mquina

compensada), la corriente proporcionada es proporcional a la velocidad de rotacin.

5.1.2. Generador sncrono de corriente alterna

La mquina consta de las siguientes partes.

La bobina de excitacin,que crea el campo magntico en el cual el entrehierro es mvil, es el

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 averas.

El inducido, en el que se recupera la energa, solidario a la carcasa y conectado a la

utilizacin, y ste al estator; pudiendo ser monofsico o trifsico. El trifsico permite obtener

una tensin alterna casi sinusoidal y, por tanto, mejora el rendimiento.


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5.1.3. Ventajas e inconvenientes

El principal inconveniente de la dnamo es la presencia de escobillas y colectores, que requieren un

mantenimiento peridico. Por otra parte, la dnamo es ms pesada y cara que un generador de

corriente alterna pero no necesita ningn dispositivo complicado para la carga de bateras.

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

potencia es ms ligero y econmico pero, debe girar a una velocidad ms elevada y ms estable que

la dnamo (en general 3.000 r.p.m.) y, adems, requiere un rectificador para la carga de bateras. A

pesar de los inconvenientes propios de alternador su utilizacin est generalizada, excepto por

aeromotores de pequea potencia, en los que la estabilidad de la velocidad de rotacin no essuficiente.

En general, se utilizan alternadores trifsicos de imanes permanentes.

5.2. Cableado de potencia

Transporta la energa elctrica generada desde el generador hasta el transformador, pasando porlas distintas protecciones de mxima o mnima tensin, sobreintensidad o frecuencia; evitando daos

a la red o a la propia turbina en caso de producirse contingencias en el aerogenerador o red de

distribucin.

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 trifsica (C.A.). Posteriormente, la corriente es enviada a travs de un

transformador anexo a la turbina (o dentro de la torre), para aumentar su voltaje entre 10 y 30 KV,

dependiendo del estndar de la red elctrica local. Elevando la tensin se reduce la intensidad, con

lo que el cableado se calienta menos y se reducen las prdidas.


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6. Sistema de control

Es el encargado de organizar el funcionamiento del aerogenerador. En l encontramos:

6.1. Controlador

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

posicin adecuada pero no es el nico factor para un correcto funcionamiento del aerogenerador.

Como su propio nombre indica el controladortambin controla un gran nmero de interruptores,

bombas hidrulicas, vlvulas y motores dentro de la turbina elica. Es posible monitorizar o fijar

alrededor de entre 100 y 500 valores de parmetros en una turbina elica moderna. Por ejemplo, el

controlador puede contrastar la velocidad de rotacin del rotor, el generador, su voltaje y su

corriente.

Tambin pueden realizarse medidas de la temperatura del aire exterior en los armarios electrnicos,

de la temperatura del aceite en el multiplicador, de los devanados del generador, de los cojinetes del

multiplicador, de la presin hidrulica, del ngulo de paso de cada pala del rotor, del ngulo de

orientacin (contando el nmero de dientes en la corona y su orientacin), de la direccin y la

velocidad del viento del anemmetro, del tamao y la frecuencia de las vibraciones en la gndola y

en las palas del rotor, del espesor de las zapatas del freno, de que la puerta de la torre est abierta o

cerrada (sistema de alarma), etc.

El controlador de la turbina elica rene varios ordenadores que continuamente supervisan las

condiciones de esta, y recogen estadsticas de su funcionamiento.

Normalmente, suele haber un controlador en la parte inferior de la torre y otro en la gndola. En los

modelos recientes de aerogeneradores la comunicacin entre controladores suele hacerse utilizando

fibra ptica.

En algunos modelos hay un tercer controlador situado en el buje del rotor. Esta unidad suele

comunicarse con la gndola utilizando comunicaciones en serie, a travs 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 parmetros fsicos de funcionamiento y supervisin de la turbina.

Los ordenadores y sensores suelen estar por duplicado en todas las reas de precisin, de seguridad

o de servicio de las mquinas grandes ms nuevas. El controlador compara continuamente las

lecturas de las medidas en toda la turbina elica, para asegurar que tanto los sensores como los

propios ordenadores funcionan correctamente.

Uno de los ms clsicos 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 est conectada a

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

sobre el que reposa y desconectar la turbina.

Hay muchos otros sensores en la gndola, como termmetros electrnicos que controlan la

temperatura del aceite en el multiplicador y la temperatura del generador

6.1.2. Salidas de control y regulacin

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

rdenes que afectan a la operacin y funcionamiento del aerogenerador.

Las seales electrnicas son utilizadas por el controlador electrnico del aerogenerador para

conectarlo cuando la seal recibida es correcta. El ordenador parar el aerogenerador

automticamente si la informacin recibida de los sensores es errnea, con el fin de proteger a la

turbina.


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7. Sistema hidrulico

El sistema hidrulico es el encargado de restaurar los frenos aerodinmicos del aerogenerador,

como ya hemos visto. Est formado por el grupo de presin, los conductos hidrulicos y las vlvulas

de control.

El grupo de presin se encarga de suministrar fluido hidrulico a una presin determinada para

permitir el accionamiento de sistemas de captacin, orientacin o transmisin.

A travs de los conductos hidrulicos se canaliza el fluido hidrulico hasta el punto de utilizacin.

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


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8. Sistema de refrigeracin

El giro del generador hace que ste se caliente. Un calentamiento excesivo puede hacer que se

avere. Para evitar que esto suceda es necesario refrigerarlo.

El generador puede enfriarse de dos formas: por aire o por agua. Para la refrigeracin por aire es

necesario emplear un ventilador que enfoque directamente el flujo de aire sobre el generador.

Cuando la refrigeracin es por agua, el agua fra circula por unas tuberas escondidas en la carcasa

del generador. El agua enfra el generador mientras ella misma se calienta, por lo que se precisa un

radiador en la gndola para eliminar el calor del lquido de refrigeracin. El aire circundante se

emplea para volver a enfriar el agua, con lo que sta puede circular permanentemente mientras

enfra el generador.

Adems, contiene una unidad de refrigeracin del aceite empleada para enfriar el aceite del

multiplicador.

Los generadores refrigerados por agua pueden ser construidos de forma ms compacta, lo que

tambin les proporciona algunas ventajas en cuanto a rendimiento elctrico se refiere.

En el sistema de refrigeracin:

Los ventiladores funcionan segn ordene el controlador, creando una circulacin de aire y

enfriando el generador elctrico.

Los intercambiadores de calor (radiadores) disipan el calor del componente a refrigerar

(generador, multiplicado o central hidrulica) empleando la corriente de aire creada por los

ventiladores.


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9. Sistemas de seguridad

Todos los equipos elicos poseen algn tipo de sistema de seguridad para protegerlo de borrascas o

incrementos inadecuados en la velocidad. Sera poco prctico (tanto econmica como tcnicamente)

disear un equipo lo suficientemente fuerte para operar constantemente durante ventarrones o

borrascas (Fernndez, 2009). Los principales sistemas de seguridad los veremos a continuacin.

9.1. Seguridad y utilizacin del terreno

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

Dada la alta velocidad perifrica del rotor hay que dejar una zona de seguridad en torno al

aerogenerador que est en funcin de la potencia del mismo.

Con los mtodos de clculo existentes actualmente, la probabilidad de que se produzca dicha rotura

es pequea por lo que la zona de seguridad se puede utilizar para usos agrcolas, ganadera,

circulacin de vehculos y otros fines equivalentes. La superficie de terreno ocupada por un

aerogenerador de 1 MW es pequea, (2000 m2); la zona de seguridad abarcara 120.000 m2.

En el caso de una agrupacin de aerogeneradores es necesario que la distancia entre ellos guarde

un mnimo necesario para evitar interferencias aerodinmicas entre mquinas, que suele ser del

orden de 5 a 7 veces el dimetro del rotor, lo que implica distancias de aproximadamente 1 km. para

generadores de 2,5 MW. El terreno entre aerogeneradores podra ser utilizado para otros fines,

respetando las servidumbres impuestas por las carreteras de acceso a las mquinas y las lneas

elctricas.

9.2. Proteccin contra el rayo

Como los aerogeneradores sobresalen del entorno que les rodea constituyen unos conductores

privilegiados de transmisin de la electricidad esttica de las nubes hacia el suelo.

Para evitar que durante una tormenta se estropeen por un rayo, conviene conectar el piln soporte

del aerogenerador a una buena toma de tierra y colocar pararrayos en los cables elctricos que unen

el aerogenerador a la red de utilizacin, (chispmetro de gas, y en las instalaciones de grandes


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potencias, eventualmente varimetros). Como los chispmetros de pararrayos se regulan para una

tensin doble de la tensin mxima eficaz que pueden producir en sus bornes, se deben unir a la

toma de tierra mediante un conductor lo ms corto posible.

9.3. Proteccin contra el embalamiento

Es fundamental que un aerogenerador se pare automticamente en caso de un mal funcionamiento

de alguno de los componentes crticos.

Por otro lado la velocidad de funcionamiento de los aerogeneradores est comprendida entre

determinados lmites en funcin de la potencia (usualmente a partir de 3 m/s y por debajo de los 25m/s).

Por ejemplo, si hay un sobrecalentamiento del generador o se desconecta de la red elctrica dejar

de frenar al rotor y, en cuestin de segundos, el rotor empezara a acelerarse rpidamente. Por otro

lado existen circunstancias de fuerte viento en las que no interesa que funcione a pleno rendimiento

ya que se pueden provocar daos en los equipos.

Por tanto el aerogenerador tiene que tener por un lado un sistema de frenado y por otro un sistema

de regulacin de giro, ya estudiados en apartados posteriores.

En la imagen que se muestra a continuacin se puede ver varios accidentes en aerogeneradores

despus de la prdida de control de los mismos.


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Recuerda

Tubular. La mayora de los aerogeneradores se construyen con este tipo de torre. Se fabrican

con planchas de acero curvadas y soldadas. Est compuesta por secciones de 20 30 m, ya quesera imposible transportar una torre con su altura completa, que pueden ser 60 70 m.

De celosa. Se fabrican con perfiles de acero soldados, de base triangular o cuadrada, ancladas

en hormign. No van arriostradas.

De mstil. Se emplean para los aerogeneradores pequeos. stos estn montados sobre

delgadas torres de mstil sostenidas por cables arriostrados. La ventaja es el ahorro de peso y,

por lo tanto, de coste. Las desventajas son el difcil acceso a las zonas alrededor de la torre, lo

que las hace menos apropiados para zonas agrcolas.

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

La gndola: contiene elementos claves del aerogenerador, como la caja de cambios y el

generador. En las turbinas grandes puede tener el tamao de un microbs y el personal de

mantenimiento accede a ella desde la torre.

En el plano elctrico un aerogenerador est formado por el generador elctrico, el cableado de

potencia y el transformador interno.

Todos los equipos elicos poseen algn tipo de sistema de seguridad para protegerlo de

borrascas o incrementos inadecuados en la velocidad.


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Autoevaluacin

1. Cules son las partes que se distinguen a simple vista de un aerogenerador?

Las palas y la torre.

Las palas, la gndola y la torre.

Las palas y la gndola.

2. Qu significa que las torres de los aerogeneradores son tronco-cnicas?

Que poseen una estructura en tronco.

Que su estructura es cnica.

Que el dimetro va creciendo hacia la base.

3. En un aerogenerador, qu es el buje?

Es el elemento al que van unidas las palas y el nico elemento externo que gira juntocon las palas.

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

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

4. Indica si es verdadero o falso el siguiente enunciado: El freno mecnico se sita

en el eje pequeo, el rpido, entre la multiplicadora y el generador. Sus requerimientos


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pueden ser importantes, ya que tiene que ser capaz de resistir el mximo par motor

aerodinmico y absorber la energa correspondiente durante un perodo de 5 segundos.

Verdadero.

Falso.

5. Cmo se puede evitar que un aerogenerador sufra algn dao por la accin

de un rayo?

Instalndole un pararrayos.

Conectndole el piln soporte del aerogenerador a una buena toma de tierra.

A y b son correctas.

funcionamiento y componentes de los aerogeneradores

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