Partes de un Aerogenerador

Los elementos principales de un aerogenerador de potencia, tripala de eje horizontal orientado a barlovento, que son los utilizados en los parques eólicos son:

• Palas
• Góndola
• Torre

Principales Ángulos de un Aerogenerador

El viento, al incidir sobre las palas del rotor, crea unos esfuerzos que hacen que se produzca una flexión de la pala considerable en la punta. Esta flexión debe limitarse para que no tropiece con la torre durante el giro.

Los siguientes ángulos son fundamentales:

• Ángulo de guiñada (giro de orientación al viento).
• Ángulo de paso o ángulo de pitch (giro de las palas).

Subsistemas y Equipos de la Góndola

Un sistema de generación eólica está formado por otros subsistemas menores que realizan una determinada función:

• Rotor
• Caja de engranajes
• Generadores eléctricos
• Sistemas de regulación de potencia y de velocidad
• Sistemas de orientación
• Sistemas de conexión a red
• Sistemas de seguridad
• Controladores electrónicos locales
• Elementos de acoplamiento mecánico
• Chasis principal
• Torres

Rotor

Los subsistemas básicos que constituyen el rotor son:

• Las palas o aspas
• El buje o cubo
• La nariz

Su función es convertir la energía cinética del viento en la energía mecánica que se utiliza para impulsar el generador eléctrico.

El parámetro fundamental que caracteriza el comportamiento de este subsistema es el coeficiente de potencia (Cp), definido como la relación entre la potencia mecánica que se desarrolla en su eje y la potencia eólica disponible en su área de barrido. Actualmente disponemos de aerogeneradores con un Cp con valores cercanos al 50%.

El flujo eólico que incide sobre las palas de un rotor en movimiento depende, entre otros factores, de la relación entre la velocidad lineal de la pala y la velocidad del viento.

Cuando mayor diámetro de palas tenemos, menor velocidad de giro tendremos en el rotor.

Palas

Los elementos del aerogenerador de eje horizontal que captan la energía cinética del viento se denominan palas. En la actualidad se fabrican con fibra de vidrio.

Todas las palas del aerogenerador se unen de forma solidaria a un soporte denominado buje o cubo. Según el tipo de unión o anclaje de las palas, éstas se clasifican en:

De Paso Fijo

No admite rotación de la pala sobre su eje, realizándose el control de potencia mediante un diseño de pérdida aerodinámica de las palas, incluyendo un freno aerodinámico en el extremo de las mismas.

De Paso Variable

Admite la rotación controlada de la pala sobre su eje a través de unos rodamientos y un grupo hidráulico. Precisa de un equipo de control de paso (eléctrico o mecánico).

Rodamiento Pala

Permite la rotación controlada de la pala para variar el ángulo pitch (eléctrico o mecánico).

Buje

Este elemento realiza la unión de todas las palas del aerogenerador.

El buje del rotor capta la energía captada por el rotor que se transmite al eje principal.

• Estructura metálica hueca que se construye con base en una fundición de acero.
• Permite un acoplamiento firme de las palas a través de pernos roscados.
• Se incluyen grupos hidráulicos encargados de accionar los frenos aerodinámicos de punta de pala (palas de paso fijo) o los mecanismos de giro de palas (paso variable).

Nariz

La nariz del rotor es una cubierta frontal en forma de cono. Sirve para eliminar turbulencia indeseable en el centro frontal del rotor y mejorar el aspecto estético.

Tren de Potencia

Tren de Potencia: Rotor + Eje Lento + Multiplicadora + Generador

Eje Lento con dos Rodamientos de Apoyo

Se transmite a la multiplicadora únicamente el par torsor. El resto de esfuerzos se transmiten de los rodamientos a sus soportes, a la estructura de la máquina y a la torre. La multiplicadora se cuelga del eje y sus apoyos son sólo brazos de reacción para el par.

Tren de Potencia: Rotor + Eje Lento + Multiplicadora + Generador

Eje Lento con un Único Rodamiento de Apoyo

Se emplea un rodamiento de apoyo cercano al buje, y el segundo apoyo del eje es directamente la propia multiplicadora. Se sitúa lejos del otro apoyo para disminuir las cargas en este punto.

Multiplicadora

Los aerogeneradores, que no son de generador múltipolo, disponen de multiplicador que permite la multiplicación de velocidad, adaptando el eje de baja velocidad (eje del rotor) con el eje de alta velocidad (eje que acopla al generador), que gira a 1500 rpm.

En el diseño de la multiplicadora para aerogeneradores se busca:

• Relación óptima entre su tamaño y su peso.
• Operar con eficiencia alta y emitir poco ruido.
• Las cajas de engranes deben ser fiables y fáciles de mantener.
• La lubricación en la caja de engranes de un aerogenerador se realiza por salpicadura.

Las multiplicadoras o cajas de engranajes utilizadas son:

• Cajas de engranes del tipo ejes paralelos.
• Cajas del tipo planetario se utilizan porque, aunque son más costosas, son más compactas, pesan menos, emiten menos ruido y en condiciones de carga parcial tienen una eficiencia mayor.

Sin Multiplicadora

«En los aerogeneradores con generador múltipolo no se dispone de multiplicadora o caja de engranajes, por tanto no existe el eje de alta velocidad».

Sistema de Orientación (Yaw)

El sistema de orientación tiene el objetivo de mantener el rotor en un plano perpendicular a la dirección del viento, con el fin de extraer de él la máxima energía.

La mayoría de los aerogeneradores en el mercado actual son del tipo a barlovento y utilizan servomecanismos para mantener el plano del rotor en posición perpendicular a la dirección del viento. Estos dispositivos constituyen el elemento unión entre la torre y la góndola del aerogenerador.

Estos sistemas no operan de manera rápida, es decir, no intentan seguir la dirección del viento con gran dinámica.

• El sistema está constituido de un cojinete de fricción que soporta la góndola, permite la rotación y está equipado de cuatro reductoras con motor-freno eléctrico.
• Una serie de mordazas rodea la parte baja para prevenir el deslizamiento de la góndola por consecuencia de la fuerza del viento.
• Hay tres tipos de sistema de yaw: mordazas activas y mordazas pasivas.

El freno de las mordazas está diseñado para cumplir los siguientes requerimientos:

• Rotación sobre la corona durante la orientación de la máquina.
• En el estado de orientación, procuran el par de retención y absorción.
• En el estado de retención (freno aplicado) procuran un par frenante elevado.

Los principales componentes son:

• Corona dentada + patines o rodamiento está acoplada a piñones.
• Accionamiento mediante motorreductoras eléctricas + piñón.

Normalmente el subsistema se encuentra habilitado con un freno mecánico o con frenos eléctricos o hidráulicos.

Motoreductoras Yaw

Las motorreductoras se componen de un motor eléctrico trifásico de jaula de ardilla y una etapa de engranajes reductores. El arranque y parada de dichos motores se controla por medio de un arrancador suave, que genera una señal rampeada de arranque y parada. Los motores constan asimismo de un freno eléctrico que está activado cuando no hay tensión.

Generador Eléctrico

El generador eléctrico, también denominado alternador, es una máquina eléctrica encargada de transformar la energía mecánica en energía eléctrica.

Por lo que se necesita un transformador anexo a la turbina (o dentro de la torre), para aumentar su voltaje entre 10 y 30 kV. Los generadores necesitan refrigeración durante su funcionamiento. En la mayoría de turbinas la refrigeración se lleva a cabo mediante encapsulamiento del generador en un conducto, utilizando un gran ventilador para la refrigeración por aire.

Generador Síncrono Múltipolo

• Al no tener multiplicadora, gira a la misma velocidad que el rotor de la máquina, velocidad baja (7–30 rpm).
• Para poder generar electricidad a baja velocidad, necesita un alto número de pares de polos.
• Es un generador síncrono de imanes permanentes y genera energía eléctrica en corriente alterna a frecuencia variable.

Dispositivos de Frenado

• Freno de disco.
• Control del ángulo de paso de las palas.
• Dispositivos de punta de pala (frenos aerodinámicos).
• Control de orientación al viento (desorientación de la góndola respecto al viento).

Por Control del Ángulo de Paso de las Palas

Freno principal: Se utiliza el sistema de regulación de velocidad por control del ángulo de paso de las palas. El sistema coloca la pala en una posición casi paralela con la dirección del viento (posición de bandera 90º). Esto representa una solución adecuada que evita fuerzas mecánicas durante el evento.

El accionamiento del sistema de regulación por control del ángulo de paso de las palas puede ser:

• Motores eléctricos: para manejar el ángulo de paso de las palas, las condiciones por defecto ante la desconexión o fallo de la línea eléctrica colocan automáticamente a las palas en “posición de bandera”.
• Grupos hidráulicos: el problema de pérdida de carga se resuelve mediante la incorporación de acumuladores hidráulicos.

El sistema de frenado secundario mecánico incorpora un freno de disco hidráulico fijado al eje de alta velocidad (a la salida del multiplicador) y compuesto de:

• Disco de freno.
• Una pinza hidráulica (mordaza de frenado), con pastillas de freno sin asbestos.

El sistema de frenado tiene las siguientes características:

• Se aplica después que la velocidad de rotación del rotor se redujo considerablemente, y por consecuencia, el par motriz es mucho menor.

Torre

• Tubular acero
• Hormigón prefabricado
• Híbridas acero hormigón
• Estructura de acero celosía

Celdas Interior Aerogenerador

Se instalarán en la base del aerogenerador.

• La configuración de las celdas dependerá de la posición del aero.
• Serán de SF6 modulares o compactas.

Transformador de Potencia

Mediciones en los transformadores antes de la puesta en servicio:

• Medición de la resistencia de aislamiento de los devanados.
• Medición de la resistencia óhmica de los devanados.
• Medición de continuidad entre devanados.
• Comprobar conexión de puesta a tierra.

Relés de Protección

La medida puede ser directa, pero para los relés de equipos de protección y medida de la energía en los aerogeneradores y subestación necesitaremos unos transformadores de intensidad y de tensión, siendo este tipo denominado media indirecta.