Aerogeneradores: Componentes, Funcionamiento y Clasificación

Componentes y Funcionamiento de un Aerogenerador

La descripción se corresponde con aerogeneradores (AGs) de eje horizontal, que es la opción más utilizada:

• Torre: Principal elemento de sujeción del AG. Sirve de base para la góndola y para el rotor, que se sitúan en la parte más alta. Da estabilidad a todo el sistema. La resistencia de la torre debe ser altísima. El material más empleado para su fabricación es el acero. Se construyen dos tipos de torres: tubulares y de celosía. La principal ventaja de las torres de celosía es que son más baratas, para la misma resistencia. Su principal desventaja es el mayor impacto visual.
• Cimentación: Es la encargada de fijar al suelo toda la estructura, soportando el peso de la torre y del resto de los elementos. En el caso de grandes máquinas, los cimientos son estructuras enormes, que requieren de una obra civil muy considerable.
• Góndola: Actúa como lugar de alojamiento de los sistemas eléctricos y mecánicos, protegiéndolos de la intemperie y de la entrada de aves. Se sitúa en lo alto de la torre. Adosados a ella, se encuentran el buje y el rotor. En lo alto de la góndola se suelen ubicar elementos de medida del viento, como el anemómetro. Se utilizan rodamientos que la conectan a la torre para que pueda girar.
• Rotor: Intercepta el viento, captando la energía de su movimiento y transformándola en energía mecánica, que es aplicada al llamado “eje lento” de la máquina. Formado por varias palas (de materiales de gran resistencia y flexibilidad y poco peso) unidas a una gran pieza central denominada buje, que conecta el rotor al eje de giro y a su vez está conectado con el resto de elementos mecánicos. La gran mayoría de los AGs modernos utilizan rotores de 3 palas.
• Sistema de orientación: Para captar la energía del viento con la máxima eficacia, los AGs de eje horizontal han de situarse en dirección perpendicular a la dirección de éste. Esto se consigue mediante sistemas hidráulicos, en los que un motor mueve la góndola del AG accionado por un autómata. En la mayoría de las grandes máquinas modernas, el rotor se sitúa a barlovento, es decir, con las palas mirando hacia la dirección del viento.
• Generador: Es el encargado de transformar la energía mecánica del rotor en electricidad. El principio de funcionamiento de un generador eléctrico consiste en hacer girar un conductor o conjunto de conductores enrollados (o bobinas) en un campo magnético, que puede ser provocado por un imán permanente o por un electroimán. Cuando esto ocurre, en las bobinas del generador aparece una tensión inducida, o fuerza electromotriz, que al ser aplicada a un circuito externo hace que por éste fluya una corriente eléctrica. En los AGs de pequeño tamaño, los que se utilizan en aplicaciones aisladas con necesidades reducidas de potencia, se utilizan generadores de corriente continua, aunque es más habitual últimamente utilizar generadores de alterna conectados a rectificadores de estado sólido, que realizan la conversión a corriente continua (AC-DC). La mayoría de los generadores de las grandes máquinas eólicas suministran tensión alterna trifásica a 50 Hz de frecuencia, como corresponde a la red eléctrica española. La tensión de salida más habitual es de 690 voltios de valor eficaz. En las máquinas de última generación, la tendencia es a aumentar la tensión hasta los 1000 V.
• Multiplicadora: Consiste en adaptar la velocidad de giro del rotor, de apenas unas pocas revoluciones por minuto, a la elevada velocidad de giro del generador (1000-1500 rpm). Esto se consigue con una caja de cambios (o de engranajes), con relaciones de multiplicación típicas entre 1:31 y 1:88.
• Freno mecánico: Debe asegurar la detención total del giro del rotor y que éste permanezca parado (en la llamada posición de “parking”) en las ocasiones en las que los operarios del parque deban acceder a la máquina. Por otro lado, el freno ha de ser capaz de realizar paradas de emergencia en el AG en situaciones de peligro, debido por ejemplo a un exceso de viento.

Celdas de Circulación Atmosférica: Hadley, Ferrel y Polar

• Celda de Hadley

  Es la zona que va entre el ecuador y los 30º de latitud, en cada hemisferio. El viento dominante proviene del noreste (a estos vientos se les denomina “alisios del noreste”), y es consecuencia del movimiento en altura del aire caliente que va del Ecuador hacia los polos. Estas masas de aire se enfrían al tomar altura y acaban por descender en latitudes más elevadas. Por ello, vuelven en superficie hacia el Ecuador (ésta es la corriente principal percibida en la celda), absorbidas por las bajas presiones provocadas por el aire caliente ascendente. La componente este del viento en la Celda de Hadley está provocada por la influencia de la rotación terrestre, en particular de la fuerza de Coriolis, que desvía el viento hacia su derecha (en el sentido del avance del viento) en el hemisferio norte y hacia su izquierda en el hemisferio sur. La influencia de este efecto es mucho mayor en latitudes elevadas.

• Celda Polar

  Cerca de los polos, el comportamiento también responde al esperado según el modelo sencillo: el aire frío (más pesado) se desplaza en superficie hacia el Ecuador, sustituyendo a las masas de aire caliente que avanzan en altura hacia los polos. La rotación de la Tierra le confiere una componente este en ambos hemisferios, como en la celda de Hadley. Esta celda se extiende desde los polos hasta los 60º de latitud en ambos hemisferios y en ella los vientos dominantes se denominan “vientos polares del este”.

• Celda de Ferrel

  Ocupa las latitudes entre los 30 y los 60º, en cada hemisferio. En esta zona, los vientos dominantes provienen del suroeste en el hemisferio norte y del noroeste en el sur (son los llamados “ponientes”). Están causados por el movimiento del aire en superficie hacia la zona de bajas presiones dejada por el aire que asciende hacia los polos desde los 60º de latitud. La componente oeste se debe a la acción de la fuerza de Coriolis, que desvía al viento hacia su derecha.

Clasificación de Aerogeneradores

Según el Sistema de Control de Potencia:

• AGs de paso fijo: En ellos, el ángulo que forma la pala con respecto a la dirección del viento incidente es constante, independientemente de la velocidad de éste.
• AGs de paso variable: Tienen la capacidad de cambiar la posición de las palas, girándolas a lo largo de su eje longitudinal, modificando así el ángulo de incidencia con respecto al viento, en función de la zona de funcionamiento. Por tanto, a cada velocidad del viento el ángulo de calado puede ser diferente, maximizando la eficiencia aerodinámica del rotor. Dentro de éstos, existen los que además pueden cambiar el ángulo de calado (“pitch controlled”) de manera independiente para cada pala, lo que proporciona la mayor eficacia en el control aerodinámico.

Según el Sistema de Regulación de Velocidad:

• AGs de velocidad fija: El rotor gira a velocidad constante, independientemente de la intensidad con la que sople el viento (por encima de la velocidad mínima para que la máquina pueda funcionar).
• AGs de dos velocidades: En estas máquinas, existen dos zonas diferenciadas de funcionamiento, correspondientes a dos rangos de velocidades del viento. En ambas, el rotor gira a velocidad constante, como si fuera un aerogenerador de la categoría anterior. Existe, por lo tanto, una intensidad del viento de transición, a la que se produce la conmutación entre una velocidad y otra.
• AGs de velocidad variable: En estas turbinas, el rotor gira a velocidades diferentes, que son proporcionales a la velocidad del viento.

Ventajas y Desventajas de los AGs según Sistema de Control y Regulación de Velocidad

• Paso Fijo:
  • Ventajas: Simplicidad y bajo coste.
  • Inconvenientes: Peor rendimiento y palas pesadas.
• Paso Variable:
  • Ventajas: Mayor rendimiento.
  • Inconvenientes: Complejidad, coste y mantenimiento.
• Velocidad Fija:
  • Ventajas: Sistemas eléctricos más simples, fiabilidad, baja probabilidad de excitar frecuencias propias, no necesita convertidor de frecuencia, bajo coste.
  • Inconvenientes: Más ruido, menor rendimiento.
• Velocidad Variable:
  • Ventajas: Reducción de esfuerzos, menos ruido, mayor calidad y estabilidad de la potencia, arranque más suave, mayor rendimiento.
  • Inconvenientes: Complejidad, coste.

Factor de Carga

Es una forma de cuantificar la producción anual de un AG en una localización concreta. Se utiliza mucho para caracterizar la productividad de las diferentes tecnologías energéticas. FC = producción anual de energía / potencia nominal del AG, y se mide en kWh/kW o simplemente en horas (horas equivalentes de funcionamiento a máxima potencia del AG al cabo de un año). También se puede definir en periodos de tiempo diferentes a un año. También se suele expresar en %. En este caso, es necesario dividir las horas efectivas de funcionamiento por las 8.760 h que tiene un año: FC(%) = FC (kWh/kW) / 8760 (h) * 100. A nivel nacional, el factor de carga anual de todos los parques eólicos en conjunto es del 23.5 %, lo que expresado en horas equivalentes de funcionamiento corresponde a 2085 horas.

Rosa de los Vientos y Distribución de Weibull

La rosa de los vientos es una representación gráfica de los datos de la velocidad del viento en cada dirección del espacio. Es habitual mostrar, por un lado, la velocidad media y, por otro, la probabilidad de que el viento sople en cada dirección en el emplazamiento en cuestión. En este último caso, se representa el % de tiempo (o frecuencia) en el que el viento sopla en cada dirección.

La distribución de Weibull es un gráfico de barras que muestra el número de horas al año (o % de horas anuales) para cada velocidad. Permite estimar la energía suministrada por un determinado AG a partir de las características del mismo, que el fabricante suministra. Polinomio de Weibull: P = k/c * (v/c)^(k-1) * e^(-(v/c)^k). La P será el % o frecuencia en la que el viento soplará a una determinada velocidad de estudio (v). El parámetro de escala c (m/s) da una idea de la altura de la gráfica; mientras que el parámetro de forma k (adimensional) indica el desplazamiento de la curva a la izquierda (múltiples días con velocidades bajas), o a la derecha (días de vientos altos).

Coeficiente de Rugosidad

La variación del viento con la altura se puede calcular: V(y) / V(y0) = (y / y0)^α, donde V es la velocidad del viento a la altura y, e y0 una altura de referencia a la que la velocidad es conocida, V0. α es el “coeficiente de rugosidad”, exponente que depende fuertemente de la orografía. Sus valores varían típicamente entre 0,1 y 0,4, siendo mayor cuanto más compleja es la orografía. En terrenos poco accidentados, α adquiere valores alrededor de 0,1, lo que en términos de la velocidad del viento significa que la variación con la altura es muy reducida. En zonas muy escarpadas, o con muchos obstáculos (por ejemplo, en ciudades), α puede alcanzar valores cercanos a 0,4 (es decir, la velocidad del viento varía mucho con la altura).

Desglose del Rendimiento Máximo de Conversión de Energía en las Etapas de un AG

Rotor (52%) - Multiplicadora (97%) - Generador (96%) - Cables (99%) - Convertidor (98%) - Transformador (98%).

El componente más ineficiente es el rotor, donde las pérdidas aerodinámicas y de rozamiento son las que dominan sobre el resto. Los demás son bastante eficientes, con pérdidas menores del 10 % en todo caso. Los números anteriormente presentados se corresponden con los valores en condiciones óptimas de funcionamiento. En el caso del rotor, el coeficiente de potencia varía mucho con la velocidad específica (λ), pudiendo disminuir significativamente con respecto al valor de 52. La eficiencia global del AG se calcula como el producto de todas las eficiencias de transmisión. En el caso óptimo presentado, el valor resultante es del 46 %.

Pérdida Aerodinámica o Sustentación

Se produce cuando, debido a una excesiva velocidad del viento, la fuerza que el rotor experimenta en la dirección ascendente disminuye bruscamente, reduciéndose de manera natural el par que aparece en el eje lento. La figura muestra el perfil de una pala sometida a la acción de una corriente de aire que fluye a su alrededor. La velocidad del aire que se desliza a lo largo de la superficie superior del ala (extradós) es mayor que la velocidad por la inferior (intradós), (la presión en la cara de arriba es menor que en la de abajo). En consecuencia, aparece una fuerza de empuje hacia arriba que permite a la pala ascender en su movimiento de rotación, se denomina “sustentación”. La figura muestra un diagrama de fuerzas en el perfil de una pala sometida a la circulación del viento. La fuerza resultante de esta acción, R, es perpendicular al perfil de la pala. Ejerce su acción sobre el centro aerodinámico o de empuje de ésta. La componente de R en la dirección perpendicular al viento se denomina “sustentación” y es la responsable del movimiento ascensional del rotor. La componente paralela al viento es llamada fuerza de “arrastre” y se opone al avance del rotor. Por encima de cierta velocidad del viento, el flujo de aire de la cara superior comienza a estar sometido a fenómenos de turbulencias, en lugar de mantenerse el movimiento ordenado. En la parte superior empiezan a aparecer “remolinos”, disminuyendo la adherencia al perfil. La consecuencia es el aumento de la presión en el extradós, que provoca una brusca pérdida en la sustentación que se traduce en una disminución de potencia que protege al aerogenerador e impide que se pueda superar la potencia nominal, sobrecargando el generador y la multiplicadora.