Componentes y Arquitecturas del Sistema Mecánico de Transmisión en Aeroturbinas

Introducción al Sistema Mecánico de Transmisión

El **sistema mecánico de transmisión** o **tren de potencia** está constituido por todos los elementos y componentes de la turbina que transmiten el **par mecánico** al eje de giro. En una **aeroturbina de eje horizontal**, este sistema lo componen, como mínimo, el **rotor eólico** y el **generador eléctrico**. La velocidad de giro de la turbina no se corresponde con la velocidad de giro del generador, por lo que es necesario incluir una **caja multiplicadora**.

Aspectos Generales

Requisitos del Sistema

Los requisitos fundamentales son:

• **Elevado grado de uniformidad** en su velocidad de giro.
• **Elevado grado de uniformidad** en el par que transmiten.

Por otra parte, las turbinas y el generador eléctrico se diseñan de tal forma que la velocidad de giro de ambos elementos sea similar. El empleo de **generadores multipolares directamente acoplados** (esto es, sin caja multiplicadora) es una solución muy prometedora en los diseños de turbinas más modernas. Este avance ha sido posible gracias a que este tipo de sistemas funcionan con un **cambiador de frecuencias** que permite reducir el número de polos del generador y, por lo tanto, su diámetro y peso.

Excluir del diseño del tren de potencia al multiplicador de velocidad es una ventaja importante, ya que este elemento está sometido a **esfuerzos cíclicos** que provocan **fatiga** de sus componentes y reducen su vida útil.

Control de Velocidad y Suavizado de Potencia

Una manera de disminuir este tipo de cargas se consigue variando la velocidad de giro de la turbina. Cuando la velocidad de giro permanece constante, las variaciones de la velocidad del viento se traducen en **oscilaciones bruscas del par transmitido**. Sin embargo, cuando la velocidad de la turbina varía, el rotor eólico actúa como un **volante de inercia** capaz de almacenar parte de la energía mecánica transitoria introducida en el sistema en **energía cinética de rotación**. Esto hace que se **suavice** tanto el par transmitido como la potencia eléctrica generada.

Existen dos formas de conseguir que el sistema gire a **velocidad variable**:

1. Utilizar **convertidores electrónicos** entre el generador y la red eléctrica (la forma más utilizada en la actualidad).
2. Utilizar **cajas de transmisión variable** y generadores eléctricos directamente conectados a red, evitando así el uso de convertidores electrónicos.

Configuración del Sistema de Transmisión

La configuración está condicionada por la posición del **rotor eólico**, situado en la parte superior de la torre a una altura que debe ser, en cualquier caso, superior a la mitad del diámetro de la turbina.

Diseño Estándar (Góndola Compacta)

Consiste en ubicar la **caja multiplicadora** y el **generador eléctrico** detrás del rotor eólico y dentro de la **góndola**. Otros componentes auxiliares, como los motores de orientación o el grupo hidráulico, se ubican también en la góndola.

Ventajas y Desventajas

• Ventaja principal: Se puede considerar como la configuración más **compacta** posible.
• Inconvenientes:
  • El peso total del tren de potencia se concentra en la parte superior de la torre, lo que condiciona de forma definitiva el **diseño estructural** de toda la turbina.
  • Los aspectos relativos a **accesibilidad y mantenimiento** de componentes se hacen más complejos.

Generador de Eje Vertical en la Zona Superior de la Torre

Una forma de reducir peso en la góndola es utilizar un generador eléctrico de eje vertical en la zona superior de la torre. Las desventajas de esta configuración son numerosas, ya que es necesario utilizar una caja multiplicadora más compleja con **engranajes cónicos**.

Generador en la Base de la Torre

La solución más radical para solucionar el problema de peso excesivo en la góndola es ubicar los componentes del tren de potencia en la **base de la torre**.

Implicaciones de la Ubicación Baja

• Esta opción implica que el **eje lento** de la caja multiplicadora debe tener una longitud similar a la altura de la torre.
• Una alternativa a este diseño es mantener la caja multiplicadora en la góndola y el generador en la parte inferior de la torre. Esta alternativa presenta problemas de **vibraciones**.

Generador Directamente Acoplado (Sin Multiplicadora)

Esta es una de las opciones más utilizadas. Este tipo de diseño se basa en utilizar **generadores síncronos de excitación independiente** con un número elevado de polos y gobernados mediante un **convertidor electrónico** que desacopla la frecuencia de funcionamiento del generador con la frecuencia de la red.

Desventaja Principal

La desventaja fundamental que presenta esta máquina es su **elevado peso** y su **diseño poco convencional** (en comparación con los sistemas con multiplicadora).