Energía Eólica y Aerogeneradores

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Elevan el aerogenerador lo suficiente como para que sea capaz de acceder a velocidades del viento mayores, en contraste con las bajas velocidades en los puntos cercanos al terreno y la existencia de turbulencias. Al extremo de la torre se fija una góndola giratoria de acero o fibra de vidrio.

- Rotor y las palas:

Normalmente las turbinas modernas están formadas por dos o tres palas, siendo lo normal el uso de tres por la mayor suavidad en el giro que proporciona. Las palas están fabricadas de un material compuesto de matriz polimérica (poliéster) con un refuerzo de fibras de vidrio o carbono para dar mayor resistencia. Pueden medir longitudes en el rango desde 1 metro hasta 100 metros y van conectados al buje del rotor. Dentro del buje hay ciertos elementos mecánicos que permiten variar el ángulo de incidencia (o pitch) de las palas.

La mayoría de los rotores en la actualidad son horizontales y pueden tener articulaciones, la más habitual es la de cambio de paso. En la mayoría de los casos el rotor está situado a barlovento de la torre, con el objeto de reducir las cargas cíclicas sobre las aspas que aparecen si se situara a sotavento de ella, pues al pasar una pala por detrás de la estela de la torre, la velocidad incidente está muy alterada. Debido a este fenómeno, las torres de aeroturbinas con rotores a sotavento son de celosía metálica, por su mayor transparencia al viento.

- Góndola:

Es un cubículo que se puede considerar la sala de máquinas del aerogenerador. Puede girar en torno a la torre para poner a la turbina encarada al viento. Dentro de ella se encuentran la caja de cambios, el eje principal, los sistemas de control, el generador, los frenos y los mecanismos de giro de la góndola. El eje principal es el encargado de transmitir el par de giro a la caja de cambios.

- Caja de cambios:

Adecua la velocidad de giro del eje principal a la que necesita el generador. Por ejemplo, en una turbina de 1 MW que tenga un rotor de 52 metros de diámetro girará aproximadamente a 20 revoluciones por minuto (rpm) mientras que el generador lo hará a 1500 rpm. La relación de la caja de cambios será de 1500/20= 75.

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Imagen 1. Partes de un aerogenerador (energía doblecero, 2017)

- Generador:

Actualmente hay tres tipos de turbinas, que varían únicamente en el comportamiento que tiene el generador cuando el molino se encuentra en condiciones por encima de las nominales para evitar sobrecargas. Casi todas las turbinas utilizan uno de los 3 sistemas mencionados a continuación:

- Generador de inducción de jaula de ardilla

- Generador de inducción bifásico

- Generador síncrono

Un generador asíncrono como el de jaula de ardilla es el que se empezó a utilizar en las primeras turbinas eólicas. Debido a la gran diferencia de giro entre el eje del molino y el generador se necesita una caja de cambios, el generador de inducción de jaula de ardilla permita pequeñas variaciones en la velocidad del rotor (aproximadamente el 1 %) también llamado deslizamiento y consume la potencia reactiva de la red. Esto no es algo deseable, sobre todo en una red débil. Por esta razón, se acoplan condensadores al generador.

Los otros dos sistemas de generación permiten un factor de multiplicidad de 2 entre la velocidad mínima y máxima del rotor. Al existir estas variaciones en los niveles de velocidad de giro, existe un desacoplamiento entre la frecuencia de red y la frecuencia del rotor. Para igualar ambas frecuencias se necesita electrónica de potencia.

En los generadores de inducción doble-alimentados se utiliza un primer concepto de velocidad variable. A través de la electrónica de potencia, se inyecta una corriente en el devanado del rotor del generador. El devanado del estator del generador está conectado directamente a la red. La frecuencia de la corriente inyectada en el devanado del rotor es variable, por ello quedan desacopladas la frecuencia eléctricas y mecánicas. Al hacerse esto, se permite el funcionamiento con velocidades variables. Una caja de cambio adapta las diferentes velocidades del rotor y el generador.

Los generadores sincrónicos usan un segundo concepto de velocidad variable. Estas turbinas no tienen una caja de cambio. El generador y la red quedan totalmente desacopladas mediante electrónica de potencia. En esta configuración, también se puede operar con velocidades variables. Algunos fabricantes usan generadores especiales que operan con bajas revoluciones. Los generadores con bajas velocidades de giro se reconocen fácilmente por sus diámetros relativamente grandes, colocados cerca del rotor de la turbina.

- Sistema de frenado:

Las turbinas eólicas están equipadas con sistemas de seguridad muy avanzados. El sistema de frenado de discos permite, en situaciones de emergencia o de mantenimiento, parar el molino.

- Sistema de control:

Una vez puesto en marcha un molino eólico, queda totalmente automatizado con sistemas de control formado por ordenadores. Estos manejan la información que suministran la veleta y el anemómetro colocados encima de la góndola para orientar el molino y las palas de forma que la generación se optimice lo máximo posible. Toda la información sobre el estado de la turbina se puede enviar de forma remota a un servidor central.

Las Características de un aerogenerador vienen asociadas a:

- Orientación automática:

El aerogenerador se orienta automáticamente para aprovechar al máximo la energía cinética del viento, a partir de los datos registrados por la veleta y anemómetro que incorpora en la parte superior. La barquilla gira sobre una corona situada al final de la torre.

- Giro de las palas:

El viento hace girar las palas, que comienzan a moverse con velocidades de viento de unos 3,5 m/s y proporcionan la máxima potencia con unos 11 m/s. Con vientos muy fuertes (25 m/s) las palas se colocan en bandera y el aerogenerador se frena para evitar tensiones excesivas.

- Multiplicación:

El rotor (conjunto de tres palas engarzadas en el buje) hace girar un eje lento conectado a una multiplicadora que eleva la velocidad