Partes del Aerogenerador

EL AEROGENERADOR

Índice:

¿Qué es un aerogenerador?

¿Cuáles son las partes de un aerogenerador?

¿Que es un aerogenerador?

Un aerogenerador es un dispositivo que convierte la energía cinética del viento en energía eléctrica. Las palas de un aerogenerador giran entre 13-20 revoluciones por minuto (rpm), según su tecnología, a una velocidad constante o variable, donde la velocidad del rotor varía en función de la velocidad del viento para alcanzar una mayor eficiencia.

Tipos de aerogeneradores

-Según la posición del eje

-Según su orientación

-Según el número de palas

-Por el tipo de torre

-Por control de potencia

Según la posición del eje

- De eje horizontal o HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine)

- De eje vertical o VAWT (Vertical Axis Wind Turbine)

HAWT

VAWT

Aerogeneradores de eje horizontal / HAWT

Los aerogeneradores de eje horizontal o HAWT, son aquellos cuyo eje de giro se encuentra en paralelo al suelo y necesitan orientarse a barlovento (mirando en la dirección de donde incide el viento) para asimilar de manera eficiente la energía del viento.Suelen ser los más utilizados por ser más eficientes y resistentes que los VAWT Estos aeros presentan como ventajas y desventajas: - Posibilidad de funcionamiento aún con vientos fuertes- Extremos de palas variables- Dificultad para funcionar si estan cerca del suelo- Necesitan estar orientados a barlovento- El transporte e instalación requieren mucho esfuerzo

Aerogeneradores de eje vertical / VAWT

Los aerogeneradores de eje vertical o VAWT son aquellos que su eje de giro está en perpendicular respecto al suelo. Suelen ser menos comunes que los HAWT debido a su menor eficiencia y resistencia.Estos aerogeneradores presentan como ventajas y desventajas:- Mas facilidad para la ejecución y sujeción de las palas- No requieren de un sistema de orientación como los HAWT- Se pueden ubicar más facilmente el generador, tren de potencia y el transformador al nivel del suelo- Poseen un menor rendimiento que los HAWT- Menor resistencia al viento

Además, dentro de los aeros de eje vertical, encontramos 3 variantes

Tipo Darrieus

Tipo Savonious

Según su orientación

- Orientación a barlovento

- Orientación a sotavento

Orientación a barlovento

Sabemos que un aerogenerador esta orientado a barlovento cuando el viento incidente llega al rotor primero, y despues, sobre la torre. En este caso, las palas se enfrentan al viento.La mayoria de aerogeneradores estan orientados a barlovento

Orientación a sotavento

En el caso de la orientacion a sotavento es al revés, el viento incidente choca primeramente con la torre, y después, con el rotor.No son muy utilizados, pero en casos donde los aerogeneradores son pequeños, se suele usar más este tipo de orientación

Según el número de palas

- Monopala

- Bipala

- Tripala

- Multipala

Bipala

Tripala

Multipala

Monopala

Por el tipo de torre

- De celosía

- De acero tubular

- De hormigón

Acero tubular

Celosía

Hormigón

Por control de potencia

- Turbinas de baja o media potencia

- Turbinas de alta potencia

Turbinas de baja o media potencia

Las turbinas de baja y media potencia rondan entre los 1-150 Kw de potencia, suelen tener gran cantidad de palas (multipala) y son usados para zonas rurales y/o uso propio.

Turbinas de alta potencia

Las turbinas de alta potencia son aquellas que ya generan más de 150 Kw, suelen ser tripalas, y en casos poco comunes, multipala. Estas turbinas son para el uso comercial y necesitan vientos de más de 5m/s para poder trabajar.

Partes de un aerogenerador

Dentro del aerogenerador, contamos con los siguientes elementos:

- Soporte (torres o tirantes) - Sistema de captación (rotor) - Sistema de orientación - Sistema de regulación (controlan la velocidad de rotación) - Sistema de transmisión (eje y multiplicador) - Sistema de generación (generador)

Anemómetro y veleta

Góndola

Multiplicadora

Frenos

Eje principal

Actuador del ángulo de paso

Buje

Cubierta

Generador

Sistemas Auxiliares

Palas

Torre

Mecanismo de orientación

Partes de un aerogenerador

Góndola / Nacelle (Interior)

La góndola o nacelle, es la estructura que recubre a los elementos importantes del aerogenerador.Dentro de la misma se encuentra el equipo tanto mecánico como eléctrico que permite la transformación de la energía cinética proporcionada por el rotor, en energía eléctrica.Esta compuesta de un eje principal, adaptado al del rotor mediante un embrague, un engranaje confinado en la multiplicadora y un generador eléctrico. Suele estar recubierta de placas de aluminio, que la aíslan del ruido y del calor, y suele tener forma troncocónica o cilíndrica para repartir adecuadamente su peso sobre el eje principal. Generalmente tiene un microprocesador que permite regular y controlar el ángulo de inclinación de las palas del rotor, así como la posición de éste.Por último, posee un sistema de seguridad que bloquea las palas del rotor en caso necesario y frenos de disco por si es preciso detenerlo.

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Góndola / Nacelle (Exterior)

En la parte exterior-superior de la góndola o nacelle encontramos un anemómetro y veleta, que son utilizados para medir la velocidad y dirección del viento. Las señales electrónicas del anemómetro son usadas por el controlador del aerogenerador para poner en marcha el aerogenerador cuando el viento alcanza aproximadamente los 5 m/s. El ordenador también parará el aerogenerador automáticamente si la velocidad del viento excede de 25 m/s (que son lo qeuivalente a 90Km/h) para proteger a la turbina y los alrededores.Las señales de la veleta son utilizadas por el controlador electrónico del aerogenerador para girar al aerogenerador en contra del viento, utilizando el mecanismo de orientación, situado en la zona inferior de la góndola, encargandose de situarse en paralelo con la dirección del viento. Además de anemómetros y veletas para el control del aerogenerador, se instalan luces de señalización para las aeronaves y una posible plataforma para el aterrizaje de helicópteros (en offshore).

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El Rotor

El rotor es la pieza del aerogenerador que permite que este varie su velocidad respecto a la velocidad del viento, con el fin de buscar la mayor eficiencia. Se compone de 2 partes: El buje y las palasEste capta la energía del viento, convirtiendola en energía mecánicaLa capatación del viento dependera, de entre otros, del tamaño del rotor

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Las palas

Son la parte encargada de capturar la energia del viento, al hacerlo, transmiten la potencia obtenida hacia donde se encuentra el buje. Son creadas con un perfil aerodinámico para maximizar la eficiencia de su función. Los extremos de la pala son de baja resistencia aerodinámica y sustentables.Estan fabricadas con plastico reforzado con fibra de vidrio, sobre una estructura resistente. En algunos casos el refuerzo puede ser de fibra de carbono.Son de tamaño variable, dependiendo de la tecnología empleada y la velocidad del viento, cuanto mayor es su tamaño, más superficie de barrido consiguen.Son la parte más crítica de los aerogeneradores, ya que son los elementos más caros y propensos a generar problemas de diseño.

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El sistema de cambio de paso o pitch

Este sistema permite a las palas cambiar su ángulo de paso al hacerlas girar sobre su eje longitudinal.El sistema tiene como objetivo regular la potencia generada con vientos altos y poder parar las palas en caso de parada controlada o de emergencia (Ponerlas en modo bandera).Cada pala tiene un acumulador de nitrógeno en el buje donde hay una reserva de aceite a presión para garantizar la puesta en bandera de las palas independientemente de si hay una caída de presión en el sistema

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El buje

El buje es la parte que conecta al eje principal con las palas, incluyendo el sistema pitch y encargandose de transmitir la energía obtenida.El eje principal/de baja/lento es que conecta el buje con la multiplicadora, permitiendo el paso de la energía cinética para posteriormente ser aumentada en esta.Se suele fabricar con acero moldeado o de fundición y se protege con una funda externa llamada cubierta.Hay 3 tipos de bujes:-Rígido-Abisagrado -BasculanteEl más utilizado es el buje rígido y se encarga de mantener los elementos en posición fija respecto al eje principal.

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La multiplicadora

Es una caja de engranajes que convierte la baja velocidad del eje de baja en una velocidad adecuada para el motor a costa de perder potencia. El giro se traspasa desde la multiplicadora al motor mediante el eje rápido o de alta, modificando la velocidad recibida, pudiendo girar hasta 50 veces más rápido que el eje de baja.Este eje rápido permite accionar el generador o el alternador eléctrico, gira aproximadamente a 1500 rpm y tiene incorporado un freno mecánico de emergencia, utilizado en caso de mantenimiento de la turbina o fallo del freno aerodinámico.

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La multiplicadora

En el caso de las multiplicadoras, existen 2 tipos:-Multiplicador de poleas dentadas:Se utilizan para rotores de baja potencia-Multiplicadores de engranaje: En este tipo de multiplicadores los engranajes están protegidos en cajas blindadas para evitar su desajuste y desengrasado.A pesar de que la mayoría de aeros contienen una multiplicadora, existen algunos rotores que no la necesitan, simplificando el apartado mecánico y reduciendo el peso y tamaño de la góndola.

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Sistemas sin multiplicadora

Se puede eliminar la multiplicadora si acopla el rotor del aerogenerador a un generador síncrono específicamente diseñado, y en estos diseños, la salida del generador se lleva a la red desde un convertidor electrónico.Debido a que el tamaño del aerogenerador y el coste de la multiplicadora son directamente proporcionales, esta aumenta su coste si el tamaño del aero aumenta, por lo que deshacerse de la multiplicadora en aerogeneradores de gran tamaño supone tanto un gran alivio económico, como una reducción del peso.Además, al retirar la multiplicadora, estos no sufren las pérdidas generadas por la misma, ya que la transformación de la energía es más directa.Este sistema es muy importante a tener en cuenta en casos donde el mantenimiento del aerogenerador vaya a ser menos de lo habitual.

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La torre

La torre es la estructura que soporta todo el peso de la góndola y el rotor, mientras más alta sea la torre, más velocidad del viento habrá.Como ya hemos visto, hay 3 tipos; de celosia, hormigón y acero y siempre está construida encima de una cimentación previa hecha de hormigón armado.En su base dispone generalmente de unas escaleras, y el armario eléctrico, con el cual se actúa sobre los elementos de generación y que alberga todo el sistema de cableado que proviene de la góndola, así como el transformador que eleva la tensión.

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La torre de celosia

Celosía: Es una estructura metálica hecha con perfiles de acero soldados. Son más económicas que las tubulares, ya que se necesita menos material para construirlas. Este tipo de torres ya no son muy utilizadas ya que han sido sustituidas por las torres tubulares, debido a que las tareas de mantenimiento son más complicadas y a que tienen un mayor impacto visual a distancias cercanas.

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La torre tubular

Tubular: Son las torres más utilizadas actualmente. Tienen forma cilíndrica y están construidas a partir de un único elemento o de segmentos más pequeños para las torres más altas. Pueden ser de hormigón o de acero. La accesibilidad tanto al rotor como a los equipos de la góndola para turbinas pequeñas con torres de altura inferior a 15m, existen escaleras exteriores. Para torres más altas las escaleras son interiores y si superan los 60 metros, suelen tener un ascensor.

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La cimentación

Es la estructura que se usa como soporte del aerogenerador. Se realiza mediante zapata circular, cuadrada o hexagonal, que permite transmitir al suelo las cargas que soporta la estructura entera. Las cimentaciones suelen ser poco profundas y de gran superficie. La creación de la cimentación dependerá tanto de las cargas de la estructura como del tipo de terreno.

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Los frenos

Los frenos mecánicos son el mecanismo de bloqueo del aerogenerador, tienen como función impedir que el rotor gire cuando el aerogenerador está fuera de servicio, y dependiendo del freno, son capaces de detener el rotor en condiciones meteorológicas adversas. Los frenos mecánicos más comunes son: - De disco - De fricción Los frenos de disco; funcionan de forma similar a los de los automóviles (un disco metálico está fijado al eje que debe frenarse). Durante el frenado, unas pinzas accionadas hidráulicamente aprietan unas zapatas contra el disco, creando un par de frenado que se opone al par motor. Los frenos de fricción; consisten en, como mínimo, una placa de presión y otra de fricción.El accionamiento de este tipo de frenos normalmente se lleva a cabo por medio de resortes, que ejercen una presión adecuada y se descomprimen mediante aire a presión o fluido hidráulico.

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El generador eléctrico

El generador es el elemento encargado de la transformación de energía mecánica, en eléctrica, que más tarde sera volcada a la red o a algún centro de consumo.Existen 2 tipos de generadores:- Síncronos- AsíncronosQue a su vez, se dividen en varios tipos: Asíncronos- SCIG: Generador asíncrono de jaula de ardilla (rotor en cortocircuito) (SquirrelCage Induction Generator). - WRIG: Generador asíncrono rotor devanado (Wound Rotor Induction Generator). - DFIG: Generador asíncrono doblemente alimentado (Double Fed Induction Generator). Síncronos- WRSG: Generador síncrono rotor devanado (Wound Rotor Synchronous Generator) - MPSG: Generador síncrono multipolo (imanes permanentes) (Multi Pole Synchronous Generator) Por lo general en los aerogeneradores de gran tamaño se usan generadores asíncronos de tipo jaula de ardilla

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El generador asíncrono

Un generador asíncrono produce energía eléctrica en el estator, cuando la velocidad de giro de su rotor, impulsado por el eje de alta del multiplicador, es superior a la velocidad de giro del campo magnético de excitación creado por el estator. El generador asíncrono necesita tomar energía de la red para crear el campo de excitación del estator, esta energía al alimentar una bobina consumirá corriente desfasada con la tensión (energía reactiva), con lo que la línea eléctrica de distribución a la que se encuentra conectada la instalación eólica desestabiliza su factor de potencia. Este desfase habrá de ser compensado por un grupo de condensadores.

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El generador síncrono

Está formado por un rotor compuesto por electroimanes generadores del campo magnético y de un estator en cuyos devanados se producirá la corriente alterna inducida por el campo magnético variable creado por el rotor. Los electroimanes del rotor son alimentados con corriente continua, rectificando parte de la propia electricidad generada. Todos los generadores síncronos utilizan un campo magnético giratorio.Los devanados del estator, desde un punto de vista constructivo, son iguales que los de una máquina asíncrona. La ventaja más destacable es la posibilidad de regular la potencia reactiva (si el rotor es devanado) y la desventaja principal es la necesidad de adecuar la velocidad de giro del eje de alta velocidad a la velocidad de sincronismo.

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Sistema de orientación o Yaw

El sistema de orientación permite el giro en ambos sentidos de la góndola alrededor del eje de la torre. Consiste en cuatro motorreductoras accionadas eléctricamente porel sistema de control del aerogenerador de acuerdo con la información recibida de los anemómetros y veletas colocados en la parte superior de la góndola. Los motores del sistema de orientación hacen girar los piñones del sistema de giro, los cuales engranan con los dientes de la corona de orientación montada en la parte superior de la torre.Debido a este sistema, también se instalan contadores para monotorizar la torsión de los cables de la torre, puesto que si el sistema gira durante mucho tiempo en la misma dirección, podrían romperse. Si ocurre que se torsionan demasiado, se activara un interruptor de cordón que lleva equipado.

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Transformador

Los aerogeneradores disponen de un transformador elevador de 650V (baja tensión) a 30 kV (media tensión) para poder transportar la energía hasta la subestación mediante una red de media tensión soterrada. Esto se hace para tratar de evitar pérdidas en el transporte hasta la subestación. Las dos líneas de media tensión llegarán a la subestación, donde un transformador elevará la tensión hasta los 220 kV llevará la energía en las líneas de transporte.Dependiendo de la potencia y diseño del aero, podremos encontrar los transformadores bien en la propia góndola, o por el contrario, en la base de la torre.

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Sistemas de control y de protección/seccionamiento

Son lo que llamaríamos, el ''cerebro'' del aerogenerador, proporcionan la lógica de control para regular los procedimientos de arranque y parada de la turbina y para garantizar su funcionamiento correcto dentro de los parámetros, protegiendo así al rotor de las velocidades excesivas y a las partes del circuito eléctrico contra sobreintensidades y sobretensiones.La lógica de control generalmente se programa en un PLC (Programmable Logic Controller, controlador lógico programable) y es la encargada de controlar toda la máquina. La unidad de potencia trabaja en comunicación con el PLC y consta de una unidad CCU (Converter Control Unit) y de un equipo de potencia al que controla.

Sistemas de control y de protección/seccionamiento

La unidad de control

El soporte físico del sistema eléctrico se compone de:-Controlador de la góndola: dentro de la misma, se encarga de las tareas del gobierno de esta (monitorización del viento, cambio del ángulo de paso, control de la temperatura interior…). -Controlador del buje: situado en la parte giratoria del aerogenerador y se encarga de la activación del sistema pitch. -Controlador ground: situado en la base de la torre. Desde una pantalla táctil se pueden controlar algunos datos de la operación del aerogenerador sin tener que acceder a la góndola como detener y arrancar la máquina.

Sistemas de control y de protección/seccionamiento

Modos de operación

-El modo manual: Se emplea para realizar pruebas de mantenimiento de la máquina. Trabajando en este modo, el usuario puede manejar manualmente todos los subsistemas de la máquina desde la pantalla táctil del armario ground. En este modo de operación el PLC continúa revisando todas las operaciones. -El modo de emergencia: Se alcanza cuando se activa cualquiera de los sensores de los que dispone la máquina detectando alguna anomalía (nivel de vibraciones, sobrevelocidad, etc.), o se pulsa algún pulsador de parada de emergencia.

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Sistemas auxiliares

Los principales sistemas auxiliares que se instalan en el interior de la góndola llevan un dispositivo hidráulico para la lubricación del multiplicador o de los demás componentes mecánicos, e intercambiadores de calor para la refrigeración del aceite y del generador. Sistema hidráulico:El movimiento de cambio de paso de la pala es un giro alrededor de su eje longitudinal. Para conseguir esto se utiliza un sistema hidráulico que, mediante un cilindro independiente por pala, coloca las tres palas al mismo ángulo de paso en cada instante. Además, cuenta con un sistema de acumuladores que permite girar las palas hasta la posición de bandera en caso de emergencia. El sistema hidráulico tiene una mayor velocidad de actuación que la mayoría de sistemas.

Muchas gracias