Mecanismos para el aprovechamiento eólico: las máquinas eólicas (página 3)

Desarrollos recientes, como en el rotor del molino de viento Gaviotas, es un rotor de solidez intermedia, más rápido y su diseño es considerado de bajo peso. Como se verá más adelante, la solidez (?) de un rotor se define como la relación entre el área ocupada por las palas del rotor y el área circular del rotor barrida en un giro. El rotor multipala americano puede alcanzar una solidez cercana al 85% contra una solidez del rotor Gaviotas del 30%. En el otro extremo de diseño de rotores eólicos, por ejemplo, para generación eléctrica en la cual se requiere de mayor velocidad se utilizan rotores con solamente 3 palas aerodinámicas. La solidez de estos rotores de alta velocidad puede ser tan baja como de 7 a 8%. Otro aspecto importante que define la operación de un rotor eólico es la relación que existe entre la velocidad periférica (U) de la punta de las palas y la velocidad axial de viento (V) que incide sobre el rotor. Esta relación se conoce como la velocidad especifica, celeridad o TSR (?). Así pues, un rotor con alta solidez tiene una relación de velocidad específica con un valor entre 1 y 2. Rotores con menor número de aspas (5 ó 6) tienen una relación de velocidad específica entre 2 y 4. Rotores eólicos para generación de electricidad son diseñados con relaciones de velocidad específica entre 6 y 10. A manera de ejemplo, si a un rotor eólico le incide un viento de 5 m/s, la velocidad periférica de la punta de las aspas para un rotor de alta solidez puede llegar a ser cerca de 7 a 8 m/s. Un rotor eólico con solidez intermedia tendrá una velocidad periférica cercana a los 15 m/s. Si en este ejemplo se considera un rotor de 3 metros de diámetro querrá decir que el equipo de alta solidez gira a 50 rpm contra 100 rpm para el equipo de más baja solidez. A mayores velocidades de viento más alta será la velocidad de giro. En efecto, para una velocidad de viento dada, rotores de menor diámetro (entre 2 y 4 metros) giraran a más alta velocidad rotacional que un rotor con mayor diámetro (sea más de 5 metros). Las altas velocidades inducidas en la transmisión operando una bomba de pistón resultaran en elevados niveles de carga y esfuerzo que la construcción del equipo (torre, transmisión y vástago) no podrá resistir. Por ello es necesario proveer la transmisión con un reductor de velocidad en el cual con varias vueltas del rotor produzca un ciclo de bombeo. Un correcto acople entre sistema de transmisión de movimiento para pulsar una bomba de pistón típica exige que esta no exceda los 40 ciclos por minuto en todo el rango de operación. Evidencia teórica y experimental demuestran que mayores velocidades de operación de bombas de pistón resultan en un incremento en los daños producidos en todos los componentes de las aerobombas, reduciendo sustancialmente la vida útil del sistema. Nuevos desarrollos de aerobombas de baja solidez sin necesidad de caja reductora de velocidades para la acción de bombeo, incluye elementos adicionales como elementos flexibles en la transmisión, diseño adecuado de las tuberías de ascenso y adecuados sistemas de seguridad para evitar altas velocidades de pulsación de las bombas.

4.1.4.1.2. Subsistema de orientación. Dada la variabilidad en la dirección del viento, la misión del subsistema de orientación es hacer que la turbina eólica se mantenga siempre con su plano perpendicular a la dirección del viento, de manera que la superficie enfrentada a éste sea siempre la máxima. Evidentemente, este subsistema sólo es necesario en las máquinas de eje horizontal, y no en las de eje vertical, que son "neutras" a la dirección del viento. Los sistemas de orientación son de tipo "pasivo" (mecánicos), o de tipo "activo" (eléctrico y electrónico). Dentro de los primeros se encuentran tres grupos: • Los basados en una veleta. Este sistema se utiliza preferente para las aerobombas, en la que la veleta es una plancha de acero o aluminio de forma trapezoidal de área, peso y distancia del eje de rotación adecuados, además para este tipo de sistemas la veleta sirve como un contrapeso para equilibrar la máquina. • Los basados en una rueda lateral y un mecanismo de engranajes. Cuando el viento cambia de dirección, incide sobre las ruedas laterales, haciéndolas girar, y transmitiendo su giro a la barquilla que soporta la turbina y ésta queda orientada de nuevo al viento, en ese momento las ruedas laterales ya no son accionadas por éste. • Los basados en la colocación a sotavento de la turbina, respecto del eje pivote de la barquilla, en este caso, la turbina y la barquilla pueden girar libremente alrededor del eje de la torre, y la diferencia entre las fuerzas de empuje sobre las palas, según están dando más o menos la cara al viento, producen la autoorientación de la rueda. Para que este efecto se potencie se disponen las palas en forma de cono, y no en un plano. Los tres tipos de sistemas de regulación pueden apreciarse en las siguientes ilustraciones:

Ilustración 5.50: Subsistemas de orientación para aerogeneradores.

Ilustración 5.51: Subsistema de orientación para aerobombas.

Los sistemas activos constan de: • Un "sensor" que señala en todo momento la dirección del viento (una veleta instrumentada). • Un microprocesador que identifica los cambios de dirección del viento respecto de la posición de la turbina. • Un motor eléctrico que, puesto en marcha por el microprocesador, hace que gire la barquilla que soporta la turbina hasta que ésta se coloque en la posición correcta.

4.1.4.1.3. Subsistema de regulación y control. Dada la variabilidad en la intensidad del viento, así como la de la carga aplicada a la máquina eólica en muchos casos, se precisa de un sistema, que permita regular la velocidad de funcionamiento evitando: • Posibles embalamientos. – Por exceso de viento bajo carga constante. – Por descensos en la carga. • Pérdidas de velocidad. – Por falta de viento con la carga plenamente aplicada. – Por aumentos repentinos de la carga aplicada. De esta importante misión se encarga el sistema de regulación. Por otro lado, también existe un sistema de control, que permite parar y arrancar la máquina a voluntad, pararla automáticamente en caso de averías, etc. De estos aspectos se encarga el sistema de control (aún cuando normalmente ambos sistemas, de regulación y de control, están totalmente integrados). La mayoría de los aerogeneradores actuales son de velocidad constante: la velocidad de giro de su rotor debe permanecer casi constante a pesar de la variación de la velocidad del viento. Además algún dispositivo debe limitar la potencia y proteger al aerogenerador de sobreesfuerzos en caso de fuertes vientos. Estas funciones las asume el sistema de regulación de velocidad. Los métodos de regulación de velocidad se pueden clasificar en dos grupos: • Métodos basados en palas fijas. • Métodos basados en palas orientables.

Hoy en día son muchos los aerogeneradores que efectúan la regulación de velocidad por paso fijo de manera que, por encima de la velocidad nominal, la pala entra en pérdida aerodinámica limitando la potencia de salida. Existen también técnicas adicionales de control de velocidad con palas fijas como son la aleta estabilizadora articulada que gira al rotor en dirección paralela al viento.

Ilustración 5.52: Subsistemas de regulación.

Respecto a los métodos de regulación de velocidad basados en palas orientables, estos permiten la adaptación de las palas a diferentes condiciones de viento hasta el repliegue en caso de viento muy fuerte. Existen múltiples métodos, ya sean constituidos por resortes, masos o servomotores. Pocos sistemas eólicos tienen un sistema de regulación de velocidad orientable mediante el cual el ángulo de paso está cambiando constantemente, la mayoría de los sistemas consideran a las palas fijas en un ancho margen de viento. Estos métodos tienen múltiples ventajas: • Ayudan a arrancar el rotor, posicionan el ángulo de ataque de la pala de forma que esté • en el punto de operación óptimo. • Efectúan el control de vueltas para que no se sobrecargue el generador. • Protegen a todo el sistema frente a daños debidos a una alta velocidad del viento. Actualmente, la regulación de los aerogeneradores se lleva a cabo en un control que suele ser un ordenador. El sistema de control electrónico recibe, mediante censores que monitorizan las variables más importantes, datos como la velocidad del viento, las revoluciones por minuto del eje, las vibraciones que puedan aparecer, la potencia generada, el ángulo de paso de la pala, etc. A partir de estas entradas, el ángulo de paso de la pala óptimo se obtendrá mediante un algoritmo, a partir del cual se envíe una orden adecuada a los actuadores. Esta técnica controla las vueltas del rotor en todo el rango de operación. Si se detecta algún problema o algún parámetro fuera del rango preseleccionado, el sistema, actuando sobre los servomecanismos del ángulo de paso, pondrá a la pala fuera de operación (posición de bandera, ángulo = 90º); cuando todo vuelva a la normalidad efectuará el proceso de arranque de nuevo.

Regulación de potencia. Desde el punto de vista de la potencia existen dos apartados: uno es la conexión del generador a la red cuando las vueltas del mismo están a velocidad de sincronismo. Esta condición se da cuando no hay exceso de par y la potencia ni entra ni sale del generador. La otra es el control de velocidad del rotor; así no existe sobrepotencia en el generador (exceso de deslizamiento, par u otros parámetros) y no se causan daños en el sistema de generación. El control de vueltas del rotor se ha discutido en la sección anterior y lo único que se debe recordar es que si se desconecta eléctricamente al generador, se debe utilizar algún tipo de control de velocidad del rotor. En el caso de las aerobombas, los rotores eólicos deben tener la capacidad de girar para encarar el viento en caso de que este cambio su dirección y al mismo tiempo protegerse de intensidades de viento muy altas que pueden causar sobrecargas excesivas a la torre, a la transmisión y al rotor. Diversos diseños se han probado e implementado para alcanzar la acción de control y seguridad necesarios para la protección del equipo de eventuales rachas de alta velocidad de viento y tormentas. Generalmente los subsistemas de regulación y control se combinan con los sistemas de orientación, del tipo mecánico, y en los cuales se garantiza que a bajas velocidades de viento el rotor enfrente plenamente el viento y con velocidades de viento mayores el rotor se desoriente para limitar la velocidad de excitación de la bomba y reducir, así, las fuerzas y cargas inducidas en todo el sistema. Los sistemas mecánicos de regulación – control y orientación, fundamentalmente, se basan en la colocación excéntrica entre el eje del rotor y el eje vertical de la torre. Esta excentricidad es pequeña y permite la presencia de una fuerza de empuje horizontal ejercida por el rotor tendiendo a auto-rotar alrededor del eje vertical de la torre. El balanceo o desbalanceo de esta fuerza de empuje horizontal (representado en un momento par vertical) se logra a través fuerzas aerodinámicas ejercidas sobre la cola de la aerobomba o sobre placas laterales que regulan este movimiento vertical. Generalmente, el desequilibrio de estas fuerzas, cuando se saca el rotor de la dirección del viento incidente, es compensado por contrapesos o resortes que recuperan la colocación del rotor eólico cuando la velocidad del viento disminuye. Los sistemas de regulación – control y orientación comienzan a operar a velocidades de viento entre 10 y 12 m/s (35 a 40 km/hr) y detienen complemente el rotor y lo sacan de operación a velocidades cercana a los 15 m/s (50 km/hr). Adicionalmente, al sistema mecánico de regulación – control y orientación, algunas aerobombas también cuentan con frenos mecánicos operados manualmente para frenar totalmente el sistema para permitir actividades de mantenimiento o detenerlo cuando no se requiere abastecimiento de agua.

Vale la pena mencionar que la inadecuada operación de un sistema de regulación – control y orientación conduce a situaciones catastróficas poniendo el riesgo la alta inversión que implica una instalación de aerobombeo. La siguiente ilustración muestra el mecanismo de seguridad simplificado de las aerobombas convencionales multipala americano.

Ilustración 5.53: Sistema de regulación – control y orientación con cola trasera.

4.1.4.1.4. Subsistema de transmisión. Es el encargado de transmitir la potencia en el eje de la turbina eólica hasta el subsistema de aprovechamiento (generador eléctrico, bomba de pistones, etc.). Normalmente esta transmisión puede ser directa o a través de una caja multiplicadora. Este subsistema está formado por: • Trenes de engranajes. • Árboles de transmisión • Sistemas hidráulicos de potencia (o cualquier combinación de éstos). En el caso de aerogeneradores, el subsistema de transmisión tiene otra misión importante, y es la de conseguir, que a partir de las bajas revoluciones por minuto de la turbina eólica, el alternador sea accionado con la alta velocidad que exigen los modelos comerciales.

Ilustración 5.54: Diferentes engranajes para diferentes procesos de transmisión.

En una aerobomba ¿Por qué utilizar una caja multiplicadora? La potencia de la rotación del rotor de la turbina eólica es transferida al generador a través del tren de potencia, es decir, a través del eje principal, la caja multiplicadora y el eje de alta velocidad. Pero, ¿por qué utilizar una caja multiplicadora? ¿No podríamos hacer funcionar el generador directamente con la energía del eje principal?. Si usásemos un generador ordinario, directamente conectado a una red trifásica de CA ( corriente alterna ) a 50 Hz, con dos, cuatro o seis polos, deberíamos tener una turbina de velocidad extremadamente alta, de entre 1000 y 3000 revoluciones por minuto (r.p.m.), como se verá cuando hablemos del subsistema de aprovechamiento, con un rotor de 43 metros de diámetro, esto implicaría una velocidad en el extremo del rotor de bastante más de dos veces la velocidad del sonido, así es que deberíamos abandonar esta opción. Otra posibilidad es construir un generador de CA lento con muchos polos. Pero si quisiera conectar el generador directamente a la red, acabaría con un generador de 200 polos (es decir, 300 imanes) para conseguir una velocidad de rotación razonable de 30 r.p.m. Otro problema es que la masa del rotor del generador tiene que ser aproximadamente proporcional a la cantidad de par torsor (momento, o fuerza de giro) que tiene que manejar. Así que, en cualquier caso, un generador accionado directamente será muy pesado (y caro).

Menos par torsor, más velocidad. La solución práctica, utilizada en dirección contraria en muchas máquinas industriales, y que está relacionada con los motores de automóviles, es la de utilizar un multiplicador. Con un multiplicador se hace la conversión entre la potencia de alto par torsor, que obtiene del rotor de la turbina eólica girando lentamente, y la potencia de bajo par torsor, a alta velocidad, que utiliza en el generador. La caja multiplicadora de la turbina eólica no "cambia las velocidades". Normalmente, suele tener una única relación de multiplicación entre la rotación del rotor y el generador. Para una máquina de 600 ó 750 kW, la relación de multiplicación suele ser aproximadamente de 1:50. La fotografía de abajo muestra una caja multiplicadora para un aerogenerador de 1,5 MW. Esta particular caja multiplicadora es un tanto inusual, pues tiene bridas para acoplar dos generadores en la parte de alta velocidad (en la derecha). Los accesorios naranja, que están justo debajo de los dispositivos de sujeción de los generadores (derecha), son frenos de emergencia de disco accionados hidráulicamente. El fondo puede ver la parte inferior de una góndola para una turbina de 1,5 kW.

Ilustración 5.55: Caja multiplicadora para un aerogenerador de 1.5 MW.