CENTRALES EOLICAS
Las
centrales eólicas se basan en la utilización del viento como
energía primaria para la producción de energía
eléctrica. La energía eólica ha sido un recurso empleado desde
tiempos remotos en diferentes partes del mundo y para diversos
propósitos.
Aunque
el aprovechamiento de la energía eólica data de las épocas
más remotas de la humanidad (existen grabados egipcios sobre
navegación a vela fechados 500 años a. c) la primera noticia que
se tiene al respecto se refiere a un molino que Herón de
Alejandría construyó en el siglo II antes de C. para proporcionar
aire a su órgano.
Los
más antiguos molinos que se conocen eran de eje vertical. Hacia el siglo
VIII aparecieron en Europa, procedentes del este, grandes molinos de eje
horizontal con cuatro aspas. Su fabricación en gran número, en
particular por los holandeses, les hizo alcanzar una gran firmeza, pese a que,
debido a las dimensiones de sus aspas distaban mucho de recoger el
máximo de potencia. Necesitaban una regulación de la
orientación de la tela. Los molinos de viento de eje horizontal han de
hacer siempre frente al viento.
Estos
molinos eran muy adecuados para vientos del orden de 5 m/s, es decir, unos 20
km./h. Es a partir de los siglos XII-XIII cuando
empieza a generalizarse el uso de los molinos de viento para la
elevación de agua y la molienda de grano, los más antiguos
aparecieron en Turquía, en Irán y en Afganistán. A principios
del siglo XII. Europa se llenó a su vez de molinos, sobre todo en
Bélgica y en los Países Bajos. Los molinos holandeses tienen
cuatro aspas de lona, mientras que los de Baleares y Portugal tienen seis, y
los de Grecia, doce.
Los
molinos con gran número de palas determinan velocidades de
rotación relativamente bajas y un funcionamiento útil a partir de
velocidades del viento del orden de 2 m/s. Todos estos molinos se
mantendrán hasta bien entrado el siglo XIX. El desarrollo de los molinos
de viento se interrumpe con la revolución industrial y la
utilización masiva de vapor, la electricidad y los combustibles
fósiles como fuentes de energía motriz. Es, sin embargo, en la
segunda mitad del siglo XIX cuando tiene lugar uno de los más
importantes avances en la tecnología del aprovechamiento del viento, con
la aparición del popular molino multipala americano, utilizado para
bombeo de agua prácticamente en todo el mundo, y cuyas
características habrían de sentar las bases para el diseño
de los modernos generadores eólicos. Fue entre las dos últimas
guerras cuando aparecieron, como consecuencia de los progresos técnicos
de las hélices de aviación, los grandes aerogeneradores de dos o
tres palas. En ellos se transforma la energía cinética del viento
en energía mecánica primero y en energía eléctrica
posteriormente.
Origen de la Energía Eólica
Todas
las fuentes de energía renovables (excepto la mareomotriz y la
geotérmica), incluso la de los combustibles sólidos, provienen,
en último término, del Sol. El Sol irradia 1014
kw·h de energía hacia la Tierra. En otras palabras, si tenemos en
cuenta que 1 kw·h = 3.600.000 julios y esta energía se transmite
en una hora, la Tierra recibe del Sol 1017 w de potencia. Alrededor
de un 1 a un 2% de la energía proveniente del Sol es convertible en
energía eólica. Esto supone una energía alrededor de 50 a
100 veces superior a la convertida en biomasa por todas las plantas de la
Tierra. El viento se produce por las diferencias de temperaturas que alcanzan
diferentes partes de la Tierra.
Las regiones alrededor del ecuador, a 0º de latitud, son calentadas por el
sol más que las zonas del resto del globo.
Las áreas calientes están indicadas en la foto en colores
cálidos, rojo, naranja y amarillo. (Foto tomada de un satélite de
la NASA, NOAA-7, en julio de 1984). El aire caliente es más ligero que
el aire frío, por lo que subirá hasta alcanzar una altura
aproximada de 10 km y se extenderá hacia el norte y hacia el sur. Si el
globo terrestre no rotara, el aire simplemente llegaría al Polo Norte y
al Polo Sur.
Si
consideramos el movimiento de rotación de la Tierra, el modelo de
circulación global del aire sobre el planeta se hace mucho más
complicado. En el hemisferio norte, el movimiento del aire en las capas altas
tiende a desviarse hacia el ESTE y en las capas bajas hacia el OESTE, por
efecto de las fuerzas de inercia de Coriolis. En el hemisferio sur ocurre al
contrario. Estas fuerzas de Coriolis aparecen en todas las partículas
cuyo movimiento esté asociado a unos ejes de referencia que a su vez está
sometido a un movimiento de rotación. De esta forma, el ciclo que
aparecía en un planeta estático, ahora se subdivide. El aire que
asciende en la zona cálida del ecuador se dirige hacia el polo a una
velocidad de 2m/s, desviándose hacia el ESTE a medida que avanza hacia
el NORTE.
Al
alcanzar la zona subtropical, su componente es demasiado elevada y desciende,
volviendo al ecuador por la superficie.
Por encima de este ciclo subtropical se forma otro de característica
semejante aunque en este caso es el aire cálido que ha descendido en la
zona subtropical es el que se desplaza por la superficie terrestre hasta que
alcanza la zona subpolar, en donde vuelve a ascender enlazando con el ciclo
polar. Este modelo de circulación, todavía se ve perturbado por
la formación de torbellinos que se generan en las zonas de
interpolación de los diferentes ciclos. La componente transversal de la
velocidad del viento genera unas olas, que poco a poco se van incrementando
hasta que la circulación se rompe, produciéndose unos torbellinos
que se mueven independientemente. Estos núcleos borrascosos se generan
periódicamente y transportan grandes masas de aire frío hacia el
sur alterando las condiciones climáticas en zonas de latitud inferior.
Las direcciones dominantes del viento son importantes para el emplazamiento de
un aerogenerador, ya que obviamente querremos situarlo en un lugar en el que
haya el mínimo número de obstáculos posibles para las
direcciones dominantes del viento. Sin embargo la geografía local puede
influenciar en los resultados de la tabla anterior.
Vientos locales: brisas marinas
Aunque
los vientos globales son importantes en la determinación de los vientos
dominantes de un área determinada, las condiciones climáticas
locales pueden influir en las direcciones de vientos más comunes. Los
vientos locales siempre se superponen en los sistemas eólicos a
más gran escala, esto es, la dirección del viento es influenciada
por la suma de los efectos global y local. Cuando los vientos a más gran
escala son suaves, los vientos locales pueden dominar los regímenes de
viento.
Brisas marinas
Durante
el día la tierra se calienta más rápidamente que el mar
por efecto del sol. El aire sube, circula hacia el mar, y crea una
depresión a nivel del suelo que atrae al aire frío del mar. Esto
es lo que se llama brisa marina. A menudo hay un periodo de calma al anochecer,
cuando las temperaturas del suelo y del mar se igualan. Durante la noche los
vientos soplan en sentido contrario. Normalmente durante la noche la brisa
terrestre tiene velocidades inferiores, debido a que la diferencia de
temperaturas entre la tierra y el mar es más pequeña. El conocido
monzón del sureste asiático es en realidad una forma a gran
escala de la brisa marina y la brisa terrestre, variando su dirección
según la estación, debido a que la tierra se calienta o
enfría más rápidamente que el mar.
Vientos locales: vientos de montaña
Las
regiones montañosas muestran modelos de clima muy interesantes. Un
ejemplo es el viento del valle que se origina en las laderas que dan al sur (o
en las que dan al norte en el hemisferios sur). Cuando las laderas y el aire
próximo a ellas están calientes la densidad del aire disminuye, y
el aire asciende hasta la cima siguiendo la superficie de la ladera. Durante la
noche la dirección del viento se invierte, convirtiéndose en un
viento que fluye ladera abajo. Si el fondo del valle está inclinado, el
aire puede ascender y descender por el valle; este efecto es conocido como
viento de cañón.
Los vientos que soplan en las laderas a sotavento pueden ser bastante potentes.
Ejemplos de ello son: El Fhon de los Alpes en Europa, el Chinook en las
Montañas Rocosas y el Zonda en los Andes. Ejemplos de otros sistemas de
vientos locales son el Mistral, soplando a lo largo del valle del Rhone hasta
el Mar Mediterráneo, y el Sirocco, un viento del sur proveniente del
Sahara que sopla hacia el Mar Mediterráneo.
Los aerogeneradores desvían el viento
Un
aerogenerador desviará el viento antes incluso de que el viento llegue
al plano del rotor. Esto significa que nunca seremos capaces de capturar toda
la energía que hay en el viento utilizando un aerogenerador. El tubo de
corriente: El rotor de la turbina eólica debe obviamente frenar el
viento cuando captura su energía cinética y la convierte en
energía rotacional. Esto implica que el viento se moverá
más lentamente en la parte izquierda del rotor que en la parte derecha.
Dado que la cantidad de aire que pasa a través del área barrida
por el rotor desde la derecha (por segundo) debe ser igual a la que abandona el
área del rotor por la izquierda, el aire ocupará una mayor
sección transversal (diámetro) detrás del plano rotor.
Este efecto puede apreciarse en la imagen superior, donde se muestra un tubo
imaginario, el llamado tubo de corriente, alrededor del rotor de la turbina
eólica. El tubo de corriente muestra cómo el viento
moviéndose lentamente hacia la izquierda ocupará un gran volumen
en la parte posterior del rotor. El viento no será frenado hasta su
velocidad final inmediatamente detrás del plano del rotor. La ralentización
se producirá gradualmente en la parte posterior del rotor hasta que la
velocidad llegue a ser prácticamente constante.
Distribución
de la presión del aire en la parte delantera y trasera del rotor
El
gráfico muestra la presión del aire en el eje vertical, siendo el
eje horizontal la distancia al plano del rotor. El viento llega por la derecha,
estando situado el rotor en el centro del gráfico. La presión del
aire aumenta gradualmente a medida que el viento se acerca al rotor desde la
derecha, ya que el rotor actúa de barrera del viento. Observe que la
presión del aire caerá inmediatamente detrás del plano del
rotor para enseguida aumentar de forma gradual hasta el nivel de presión
normal en el área. Corriente abajo, la turbulencia del viento provocará
que el viento lento de detrás del rotor se mezcle con el viento
más rápido del área circundante. Por lo tanto, el abrigo
del viento disminuirá gradualmente tras el rotor conforme nos alejamos
de la turbina.
Potencia desarrollada por un aerogenerador
La
cantidad de energía transferida al rotor por el viento depende como
hemos visto, de la densidad del aire,"d", del área de barrido
del rotor, "A", y de la velocidad del viento, "v". La
energía cinética de una masa de aire, "m",
moviéndose a una velocidad, "v", responde a la
expresión:
E = 1/2 mv2
Si el
volumen de aire que se mueve es "V" y tiene una densidad
"d" su masa será; m = V . d, con lo que su energía cinética será:
Ec = 1/2 dVv2
La
cantidad de aire que llegará al rotor de un aerogenerador en un tiempo
"t" dependerá de: el área de barrido del rotor
"A" y de la velocidad del viento.
El
volumen del aire que llega al rotor será:
V = Avt
La
energía cinética que aporta el aire al rotor en un tiempo
"t" será:
Ec = 1/2 dAvtv2
Ec = 1/2 dAtv3
Y la
potencia aportada al rotor será:
Ec = 1/2 dAv3
Como
se observa, la potencia del viento es proporcional al cubo de la velocidad del
viento.
El gráfico muestra que con
una velocidad del viento de 8 m/s obtenemos una potencia de 314 W por cada
metro cuadrado expuesto al viento (viento incidente perpendicularmente al
área barrida por el rotor). A 16 m/s obtendremos una potencia ocho veces
mayor, 2.509 W/m2. Como también hemos visto anteriormente el
aerogenerador ralentiza el viento al pasar por el rotor, hasta un 2/3 de su
velocidad inicial. Lo que significa que no se aprovecha toda la energía
cinética que el viento aporta al rotor, existiendo una ley, llamada Ley
de Benz que nos dice: "Sólo puede convertirse menos de 16/27 (el
59%) de la energía cinética en energía mecánica
usando un aerogenerador".
Medida de la velocidad del viento
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De acuerdo con lo anterior la velocidad del
viento es un dato muy importante para el diseño de un aerogenerador,
ahora bien la velocidad del viento no es constante y varía a lo largo
del tiempo, es por tanto importante medir la velocidad del viento en una
determinada zona en el transcurso de un año o más para
comprobar que velocidades del viento son las más frecuentes. El anemómetro de cazoletas tiene
un eje vertical y tres cazoletas que capturan el viento. El número de
revoluciones por segundo son registradas electrónicamente. Mide la
velocidad del viento en m/s. Normalmente el anemómetro está
provisto de una veleta para detectar la dirección del viento. La
variación del viento en un emplazamiento típico suele
describirse utilizando la llamada "Distribución de Weibull", como la mostrada en el dibujo: |
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En el eje de las X se
han puesto las velocidades del viento en m/s y en el eje de las Y el tiempo
que esas velocidades se han conseguido a lo largo del año, frecuencia
expresada en tanto por uno. Se
observa que los fuertes vendavales son raros (v>14 m/s) y que los vientos
frescos y moderados son bastante comunes.
En
este emplazamiento la velocidad media a lo largo del año ha sido de 7
m/s y la forma de la curva está determinada por un parámetro de
forma de 2. |
La
distribución estadística de las velocidades del viento
varía de un lugar a otro del globo, dependiendo de las condiciones
climáticas locales, del paisaje y de su superficie. Por lo tanto la
Distribución de Weibull puede variar tanto en la forma como en el valor
medio.
Densidad de potencia
Sabemos
que el potencial de energía por segundo del aire varía
proporcionalmente al cubo de la velocidad del viento. Si multiplicamos la
potencia de cada velocidad del viento por la probabilidad de cada velocidad del
viento sacada de la gráfica de Weibull, habremos calculado la
distribución de energía eólica a diferentes velocidades
del viento lo que llamamos "densidad de potencia".
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En esta gráfica el área bajo la
curva gris (a lo largo del eje horizontal) nos da la cantidad de potencia
eólica por m2 de flujo de viento que puede esperarse en
este emplazamiento en particular. En este caso tenemos una velocidad media de
7 m/s y un weibull k=2, por lo que tenemos en total 402 W/m2.
Observe que esta potencia es casi el doble de la obtenida cuando el viento
sople constantemente a la velocidad media. El gráfico consta de cierto número de
columnas estrechas, una para cada intervalo de 0'1 m/s de la velocidad del
viento. |
De
este gráfico sacamos las siguientes informaciones:
La
mayor parte de la energía eólica se encontrará a
velocidades por encima de la velocidad media del viento.
Velocidad
de conexión: Los aerogeneradores están diseñados para
empezar a girar a velocidades alrededor de 3-5 m/s. Es la llamada
"velocidad de conexión".
El área azul de la izquierda muestra la
pequeña cantidad de potencia perdida por este hecho.
Velocidad
de corte: El aerogenerador se programará para pararse a altas
velocidades del viento, de unos 25 m/s, para evitar posibles daños.
La minúscula área azul de la derecha representa la pérdida
de potencia por este motivo.
Curva de potencia
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La curva de potencia
de un aerogenerador es un gráfico que nos indica la potencia
eléctrica que es capaz de generar para cada velocidad del viento. El
gráfico muestra una curva de potencia de un típico aerogenerador
de 600 kW. Las curvas de potencia se obtienen a partir de medidas en campo,
donde un anemómetro situado en un mástil toma velocidades del
viento y la potencia eléctrica se lee directamente de los aparatos de
control del aerogenerador. |
Coeficiente de potencia
El
coeficiente de potencia indica con qué eficiencia el aerogenerador
convierte la energía del viento en electricidad. Para calcular el
coeficiente de potencia para cada velocidad dividimos el valor de la potencia
eléctrica para cada velocidad sacado de la curva de potencia por el
área de barrido del rotor, sacamos así la potencia disponible por
metro cuadrado. Posteriormente, para cada velocidad, dividimos el resultado
anterior por la cantidad de potencia en el viento por m2.
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El gráfico
muestra la curva del coeficiente de potencia de un aerogenerador
típico. Aunque la eficiencia media de estos aerogeneradores suele
estar por encima del 20%, la eficiencia varía mucho con la velocidad
del viento.
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Como se puede
observar, la eficiencia mecánica del aerogenerador más alta
(44%) se da a velocidades alrededor de 9 m/s. Este valor es un dato elegido deliberadamente
por los constructores de turbinas, ya que: A
bajas velocidades del viento la eficiencia del aerogenerador no es
importante, ya que la energía del viento no es mucha. A
altas velocidades la eficiencia tampoco interesa que sea muy alta por un
doble motivo, según la densidad de potencia a alteas velocidades esta
es baja y además hay peligro de ruptura del aerogenerador, por lo que
este se para a esas velocidades. Así
pues, la eficiencia interesa que sea alta en aquellas zonas de velocidades de
viento más frecuentes, donde se encuentra la mayor parte de la
energía. |
Componentes de un aerogenerador
La
góndola
Contiene
los componentes clave del aerogenerador, incluyendo el multiplicador y el
generador eléctrico. El personal de servicio puede entrar en la
góndola desde la torre de la turbina. A la izquierda de la
góndola tenemos el rotor del aerogenerador, es decir las palas y el
buje.
Las
palas del rotor
Capturan
el viento y transmiten su potencia hacia el buje. En un aerogenerador moderno
de 600 kW cada pala mide alrededor de 20 metros de longitud y su diseño
es muy parecido al del ala de un avión.
El
buje
El
buje del rotor está acoplado al eje de baja velocidad del aerogenerador.
El
eje de baja velocidad
Conecta
el buje del rotor al multiplicador. En un aerogenerador moderno de 600 kW el rotor
gira muy lento, a unas 19 a 30 revoluciones por minuto (r.p.m.) El eje contiene
conductos del sistema hidráulico para permitir el funcionamiento de los
frenos aerodinámicos.
El
multiplicador
Tiene
a su izquierda el eje de baja velocidad. Permite que el eje de alta velocidad
que está a su derecha gire 50 veces más rápido que el eje
de baja velocidad.
El
eje de alta velocidad
Gira
aproximadamente a 1.500 r.p.m. lo que permite el funcionamiento del generador
eléctrico. Está equipado con un freno de disco mecánico de
emergencia. El freno mecánico se utiliza en caso de fallo del freno
aerodinámico, o durante las labores de mantenimiento de la turbina.
El
generador eléctrico
Suele
ser un generador asíncrono o de inducción. En los aerogeneradores
modernos la potencia máxima suele estar entre 500 y 1.500 kW.
El
controlador electrónico
Es un
ordenador que continuamente monitoriza las condiciones del aerogenerador y que
controla el mecanismo de orientación. En caso de cualquier
disfunción (por ejemplo, un sobrecalentamiento en el multiplicador o en
el generador), automáticamente para el aerogenerador y llama al
ordenador del operario encargado de la turbina a través de un enlace
telefónico mediante modem.
La
unidad de refrigeración
Contiene
un ventilador eléctrico utilizado para enfriar el generador
eléctrico. Además contiene una unidad refrigerante por aceite
empleada para enfriar el aceite del multiplicador. Algunas turbinas tienen
generadores refrigerados por agua.
La torre
Soporta
la góndola y el rotor. Generalmente es una ventaja disponer de una torre
alta, dado que la velocidad del viento aumenta conforme nos alejamos del nivel
del suelo. Una turbina moderna de 600 kW tendrá una torre de 40 a 60
metros (la altura de un edificio de 13 a 20 plantas).
Las torres pueden ser bien torres tubulares (como la mostrada en el dibujo) o
torres de celosía. Las torres tubulares son más seguras para el
personal de mantenimiento de las turbinas ya que pueden usar una escalera
interior para acceder a la parte superior de la turbina. La principal ventaja
de las torres de celosía es que son más baratas.
El
anemómetro y la veleta
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Las señales
electrónicas del anemómetro son utilizadas por el controlador
electrónico del aerogenerador para conectarlo cuando el viento alcanza
aproximadamente 5 m/S. El ordenador parará el aerogenerador
automáticamente si la velocidad del viento excede de 25 m/s, con el
fin de proteger a la turbina y sus alrededores. Las señales de la
veleta son utilizadas por el controlador electrónico para girar el
aerogenerador en contra del viento, utilizando el mecanismo de
orientación. |
Aerodinámica
en aerogeneradores
El
rotor, compuesto por las palas del rotor y el buje, está situado
corriente arriba de la torre y la góndola en la mayoría de los
aerogeneradores modernos. Esto se hace sobre todo porque la corriente de aire
tras la torre es muy irregular (turbulenta)
¿Qué
es lo que hace que el rotor gire?
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La respuesta parece obvia: el viento. |
Sustentación
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Eche un vistazo a la
animación del perfil cortado (sección transversal) del ala de
un avión. La razón por la que un aeroplano puede volar es que
el aire que se desliza a lo largo de la superficie superior del ala se mueve
más rápidamente que el de la superficie inferior. |
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Esto implica una presión más
baja en la superficie superior, lo que crea la sustentación, es
decir , la fuerza de empuje hacia arriba que permite
al avión volar. La sustentación es perpendicular a la dirección
del viento.
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Pérdida de sustentación
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Ahora bien,
¿qué es lo que ocurre cuando un avión se inclina
demasiado hacia atrás en un intento de subir más
rápidamente? La sustentación del ala va de hecho a aumentar, pero
en el dibujo puede verse que, de repente, el flujo del aire de la superficie
superior deja de estar en contacto con la superficie del ala. |
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En su lugar, el aire
gira alrededor de un vórtice irregular (condición que
también se conoce como turbulencia). Bruscamente, la
sustentación derivada de la baja presión en la superficie del
ala desaparece. Este fenómeno es conocido como pérdida de
sustentación. La
pérdida de sustentación puede ser provocada si la superficie
del ala del avión (o la pala del rotor de un aerogenerador) no es
completamente uniforme y lisa. Una mella en el ala o en la pala del rotor, o
un trozo de cinta adhesiva, pueden ser suficiente para iniciar una
turbulencia en la parte trasera, incluso si el ángulo de ataque es
bastante pequeño. Obviamente, los diseñadores de aviones
intentan evitar la pérdida de sustentación a toda costa , ya que un avión sin la sustentación
de sus alas caerá como si fuera una piedra. En
la parte sobre control de potencia volveremos sobre este asunto y veremos
cómo los diseñadores de aerogeneradores hacen uso deliberado
del fenómeno de pérdida de sustentación cuando
diseñan palas del rotor. |
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Resistencia aerodinámica
Sin embargo, los
diseñadores de aviones y los de palas de rotor no sólo se
preocupan de la sustentación y de la pérdida de
sustentación.
También se preocupan de la resistencia del aire, conocida en el argot
técnico como resistencia aerodinámica. La resistencia
aerodinámica normalmente aumentará si el área orientada en
la dirección del movimiento aumenta.
Tipología de los aerogeneradores
En la
actualidad existe toda una enorme variedad de modelos de aerogeneradores,
diferentes entre sí tanto por la potencia proporcionada, como por el
número de palas o incluso por la manera de producir energía
eléctrica (aisladamente o en conexión directa con la red de
distribución convencional). Pueden clasificarse, pues, atendiendo a
distintos criterios:
Por la posición del
aerogenerador: Eje vertical: Su característica principal es que el eje
de rotación se encuentra en posición perpendicular al suelo. Son
también llamados "VAWTs", que corresponde a las siglas de la
denominación inglesa "vertical axis wind turbines". Existen
tres tipos de estos aerogeneradores: Darrieus: Consisten en dos o tres
arcos que giran alrededor del eje.
Panemonas:
Cuatro o más semicírculos unidos al eje central. Su rendimiento
es bajo.
Sabonius:
Dos o más filas de semicilindros colocados opuestamente. Eje horizontal:
Son los más habituales y en ellos se ha centrado el mayor esfuerzo de
diseño en los últimos años. Se los denomina también
"HAWTs", que corresponde a las siglas de la denominación
inglesa "horizontal axis wind turbines". Una discusión
clásica dentro del campo de los aerogeneradores es que tipo de
máquina es preferible. Sucintamente, podemos decir aquí que las
principales ventajas teóricas de una máquina de eje vertical son:
Puede situar el generador, el multiplicador, etc. en el suelo, y puede no tener
que necesitar una torre para la máquina. No necesita un mecanismo de
orientación para girar el rotor en contra del viento. Las principales
desventajas son: Las velocidades del viento cerca del nivel del suelo son muy
bajas, por lo que a pesar de que pueden ahorrarse la torre, sus velocidades de
viento serán muy bajas en la parte más baja de su rotor. La
eficiencia promedio de las máquinas de eje vertical no es muy grande.
La
máquina no es de arranque automático (es decir, una
máquina Darrieus necesitará un "empuje" antes de
arrancar). Sin embargo, esto es sólo un inconveniente sin importancia,
ya que puede utilizar el generador como motor absorbiendo corriente de la red
para arrancar la máquina. La máquina puede necesitar cables
tensores que la sujeten, aunque esta solución no es practicable en
áreas muy cultivadas. Para sustituir el cojinete principal del rotor se
necesita desmontar el rotor, tanto en las máquinas de eje horizontal
como en las de eje vertical. En el caso de las últimas, esto implica que
toda la máquina deberá ser desmontada.
- Por la
orientación del equipo con respecto al viento:
- A
barlovento:
Las máquinas corriente arriba tienen el rotor de cara al viento. La principal ventaja de los diseños corriente arriba es que se evita el abrigo del viento tras la torre. Con mucho la mayoría de los aerogeneradores tienen este diseño.
Por
otro lado, también hay algo de abrigo enfrente de la torre, es decir, el
viento empieza a desviarse de la torre antes de alcanzarla, incluso si la torre
es redonda y lisa. Así pues, cada vez que el rotor pasa por la torre, la
potencia del aerogenerador cae ligeramente.
El
principal inconveniente de los diseños corriente arriba es que el rotor
necesita ser bastante inflexible, y estar situado a una cierta distancia de la
torre. Además una máquina corriente arriba necesita un mecanismo
de orientación para mantener el rotor de cara al viento.
A sotavento:
Las máquinas corriente abajo tiene el rotor
situado en la cara a sotavento de la torre.
La ventaja teórica que tienen es que pueden ser construidos sin un
mecanismo de orientación, si el rotor y la góndola tienen un
diseño apropiado que hace que la góndola siga al viento
pasivamente. Sin embargo, en grandes máquinas ésta es una ventaja
algo dudosa, pues se necesitan cables para conducir la corriente fuera del generador.
Si la máquina ha estado orientándose de forma pasiva en la misma
dirección durante un largo periodo de tiempo y no dispone de un
mecanismo de orientación, los cables pueden llegar a sufrir una
torsión excesiva. Un aspecto más importante es que el
rotor puede hacerse más flexible. Esto supone una ventaja tanto en
cuestión de peso como de dinámica de potencia de la
máquina, es decir, las palas se curvarán a altas velocidades del
viento, con lo que quitarán parte de la carga a la torre. El inconveniente
principal es la fluctuación de la potencia eólica, debida al paso
del rotor a través del abrigo de la torre. Esto puede crear más
cargas de fatiga en la turbina que con un diseño corriente arriba.
Por
el número de palas:
Una
pala:
Al tener sólo una
pala estos aerogeneradores precisan un contrapeso en el otro extremo para
equilibrar. La velocidad de giro es muy elevada. Su gran inconveniente es que
introducen en el eje unos esfuerzos muy variables, lo que acorta la vida de la
instalación.
Una aplicación de este tipo de máquinas puede verse en la foto
situada al lado.
Dos
palas:
Los diseños
bipala de aerogeneradores tienen la ventaja de ahorrar el coste de una pala y,
por supuesto, su peso. Sin embargo, suelen tener dificultades para penetrar en
el mercado, en parte porque necesitan una mayor velocidad de giro para producir
la misma energía de salida. Esto supone una desventaja tanto en lo que
respecta al ruido como al aspecto visual. Una aplicación de este
diseño se presenta en la figura.
- Tres palas:
La mayoría de los
aerogeneradores modernos tienen diseños tripala, con el rotor mantenido
en la posición corriente arriba (en la cara de la torre que da al
viento), usando motores eléctricos en sus mecanismos de
orientación. Este diseño tiende a imponerse como estándar
al resto de los conceptos evaluados. La gran mayoría de las turbinas
vendidas en los mercados mundiales poseen este diseño. El concepto
básico fue introducido por primera vez por el célebre
aerogenerador de Gedser.Un espectacular ejemplo de 72 m de diámetro del
rotor y 80 m de altura hasta el eje puede verse en la foto .
- Multipalas:
-
Con un número
superior de palas o multipalas. Se trata del llamado modelo americano, debido a
que una de sus primeras aplicaciones fue la extracción de agua en pozos
de las grandes llanuras de aquel continente.
- Por la
manera de adecuar la orientación del equipo a la dirección
del viento en cada momento:
El mecanismo de
orientación de un aerogenerador es utilizado para girar el rotor de la
turbina en contra del viento.
Se dice que la turbina tiene un error de orientación si el rotor no
está perpendicular al viento. Un error de orientación implica que
una menor proporción de la energía del viento pasará a
través del área del rotor (esta proporción
disminuirá con el coseno del error de orientación) Por tanto, la
eficiencia del mecanismo de orientación es fundamental para mantener el
rendimiento de la instalación. Existe diversos
sistemas:
Mediante
conicidad
Un motor
eléctrico y una serie de engranajes permiten el giro de todo el sistema.
La figura muestra el mecanismo de orientación de una máquina
típica de 750 kW vista desde abajo, mirando hacia la góndola. En
la parte más exterior podemos distinguir la corona de orientación
, y en el interior las ruedas de los motores de orientación y los
frenos del sistema de orientación.
Mediante
una veleta: Es el método más sencillo posible para orientar un
aerogenerador. Se emplea únicamente en los equipos pequeños y
tamaño no demasiado grandes.
Mediante
molinos auxiliares :
Un ejemplo de este tipo
de mecanismo de orientación, no demasiado empleado, se muestra en la
figura. Los rotores situados a ambos lados de la góndola son movidos por
la propia corriente de aire.
Por el control de potencia
Todos los aerogeneradores deben poseer algún método de control de
la potencia generada, con el fin de evitar que se produzcan daños en los
distintos componentes de estos equipos en caso de vientos excesivos. Recordemos
que la energía del viento aumenta con el cubo de su velocidad. Por ello,
se han desarrollado una serie de dispositivos que cumplen exactamente este
cometido. Básicamente los podemos clasificar en:
Sistemas
de paso variable (ptch regulation)
Este
método 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 este menores cargas dinámicas.
Al
mismo tiempo se consigue un aumento del rendimiento de la instalación,
ya que el viento ataca a los álabes siempre con el ángulo
óptimo de incidencia.
Así
mismo, es posible el aprovechamiento de regímenes de vientos bajos.
Diseño de
las palas (stall regulation)
Los
aerogeneradores de regulación (pasiva) por pérdidas
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 actué
sobre el rotor. Conforme aumenta la velocidad real del viento en la zona, el
ángulo de ataque de la pala del rotor también aumentará,
hasta llegar al punto de empezar a perder la sustentación.
Si se observa con
atención la pala del rotor de un aerogenerador regulado por
pérdida aerodinámica, llama la atención que la pala
esté 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
pérdida 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 pérdida aerodinámica
Un número creciente de grandes aerogeneradores (a partir de 1 MW)
están siendo desarrollados con un mecanismo de regulación activa
por pérdida aerodinámica. Técnicamente, las
máquinas de regulación activa por pérdida
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 sólo utilizan unos pocos pasos fijos, dependiendo de la
velocidad del viento).
Sin
embargo, cuando la máquina alcanza su máxima potencia nominal,
observará que este tipo de máquinas presenta una gran diferencia
respecto a las máquinas reguladas por cambio de ángulo de paso:
si el generador va a sobrecargarse, la máquina girará las palas
en dirección contraria a la que haría una máquina de
regulación por cambio de ángulo de paso. En otras palabras,
aumentará 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 pérdida 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 máquina 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
(aletas) 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.
Los aerogeneradores y el medio ambiente
Los
aerogeneradores son siempre elementos muy visibles en el paisaje. De lo
contrario, no estarían situados adecuadamente desde un punto de vista
meteorológico como el parque eólico de Kappel (Dinamarca).
Probablemente sea una de las distribuciones de máquinas eólicas
más agradables posibles desde el punto de vista estético. La
forma del dique a lo largo de la costa se repite en la línea de las
turbinas. En todo caso el impacto visual es algo consustancial a esta forma de
producir energía. Puede minimizarse en lo posible, por ejemplo pintando
las torres de gris, pero nunca evitarse totalmente. En áreas llanas
suele ser una buena estrategia disponer las turbinas según una
distribución geométrica simple, fácilmente perceptible por
el espectador. Sin embargo, existen límites a la utilización de
patrones simples: en paisajes con fuertes pendientes, rara vez es viable la
utilización de un patrón simple, y suele ser mejor hacer que las
turbinas sigan los contornos del altitud del paisaje, o los cercados u otras
características del mismo.
Otro
efecto (defecto) achacado a este tipo de instalaciones es la
contaminación acústica. Aunque el sonido no es un problema capital
para la industria, dada la distancia a la que se encuentran los vecinos
más cercanos (normalmente se observa una distancia mínima de unos
7 diámetros de rotor o 300 metros), no por ello es este un detalle que
se descuide totalmente a la hora de diseñar nuevos equipos.
Además, ningún paisaje está nunca en silencio absoluto.
Por ejemplo, las aves y las actividades humanas emiten sonidos y, a velocidades
del viento alrededor de 4-7 m/s y superiores, el ruido del viento en las hojas,
arbustos, árboles, mástiles, etc. enmascarará
(ahogará) gradualmente cualquier potencial sonido de los
aerogeneradores.
Esto
hace que la medición del sonido de los aerogeneradores de forma precisa
sea muy difícil. Generalmente, a velocidades de 8 m/s y superiores llega
a ser una cuestión bastante abstrusa el discutir las emisiones de sonido
de los modernos aerogeneradores, dado que el ruido de fondo enmascarará
completamente cualquier ruido de la turbina. Al menos este es el punto de vista
defendido por los fabricantes de equipos eólicos. Por último se
hace necesario reseñar, aunque sea muy sucintamente, un debate abierto
entre la industria explotadora de parque eólicos y los diferentes grupos
de defensa de la naturaleza, quienes paradójicamente deberían ser
los mayores defensores de esta fuente no contaminante de energía. Tal
debate es la mortandad de aves causadas por colisiones con las aspas de los
equipos. Las posturas están enfrentadas y las posiciones alejadas, pero
es razonable pensar en un acercamiento a medio plazo.
© Javier de
Lucas