Unidad 1 AEROGENERADORES

Los aerogeneradores o turbinas de viento como tambin se les conocen, son mquinas que se encargan de convertir la energa cintica del viento en energa elctrica. El diseo de los aerogeneradores recrea la apariencia de los antiguos molinos de viento. Su principio de funcionamiento se basa en aprovechar la energa elica y transformarla limpiamente en energa elctrica. Para explicarlo de manera ms sencilla, el flujo del viento hace girar las paletas de la turbina dentro del aerogenerador de manera que genera electricidad a travs de la rotacin de una gigantesca bobina magntica.Los aerogeneradores, fundamentalmente son de dos tipos, los de turbina en eje horizontal y los de turbina en eje vertical. Ambos modelos tienen ventajas y desventajas pero las de eje horizontal son ms comunes debido a que poseen mucho mayor nivel de eficiencia en su desempeo. Para generar grandes cantidades de energa los aerogeneradores se agrupan en grandes parques elicos. Las concentraciones varios aerogeneradores es necesaria para producir energa que pueda abastecer altas demandas de consumo.

1.1 GeneralidadesLos aerogeneradores pueden trabajar de manera aislada o agrupados enparques elicoso plantas de generacin elica, distanciados unos de otros, en funcin del impacto ambiental y de las turbulencias generadas por el movimiento de las palas.Para aportar energa a la red elctrica, los aerogeneradores deben estar dotados de un sistema de sincronizacin para que lafrecuenciade la corriente generada se mantenga perfectamente sincronizada con la frecuencia de la red.Ya en la primera mitad del siglo XX, la generacin de energa elctrica con rotores elicos fue bastante popular en casas aisladas situadas en zonas rurales.La energa elica se est volviendo ms popular en la actualidad, al haber demostrado la viabilidad industrial, y naci como bsqueda de una diversificacin en el abanico de generacin elctrica ante un crecimiento de la demanda y una situacin geopoltica cada vez ms complicada en el mbito de los combustibles tradicionales.Laenerga elicaes aquella que se genera gracias a la energa cintica producida por las masas de aire en movimiento. Esta energa, que sigue en proceso de desarrollo, nace como respuesta a una mayor demanda del consumo energtico, la necesidad de garantizar la continuidad del suministro en zonas importadoras netas de recursos energticos y de la bsqueda de la sostenibilidad en el uso de los recursos.En general las mejores zonas de vientos se encuentran en la costa, debido a las corrientes trmicas entre el mar y la tierra; las grandes llanuras continentales, por razones parecidas; y las zonas montaosas, donde se producen efectos de aceleracin local.

1.1.1 La generacin elctrica mediante fuerza elica

En la actualidad, la energa elica es utilizada principalmente para producirelectricidadmedianteaerogeneradores, conectados a las grandes redes de distribucin deenerga elctrica. Los parques elicos construidos en tierra suponen una fuente de energa cada vez ms barata, competitiva o incluso ms barata en muchas regiones que otras fuentes de energa convencionales.Pequeas instalaciones elicas pueden, por ejemplo, proporcionar electricidad en regiones remotas y aisladas que no tienen acceso a la red elctrica, al igual que hace laenerga solar fotovoltaica. Las compaas elctricas distribuidoras adquieren cada vez en mayor medida el exceso de electricidad producido por pequeas instalaciones elicas domsticas.El auge de la energa elica ha provocado tambin la planificacin y construccin de parques elicos marinos, situados cerca de las costas. La energa del viento es ms estable y fuerte en el mar que en tierra, y los parques elicos marinos tienen un impacto visual menor, pero los costes de construccin y mantenimiento de estos parques son considerablemente mayores.A finales de 2014, la capacidad mundial instalada de energa elica ascenda a 370gigavatios, generando alrededor del 5% del consumo de electricidad mundial. Dinamarcagenera ms de un 25% de su electricidad mediante energa elica, y ms de 80 pases en todo el mundo la utilizan de forma creciente para proporcionar energa elctrica en sus redes de distribucin,aumentando su capacidad anualmente con tasas por encima del 20%. En Espaala energa elica produjo un 21,1% del consumo elctrico en 2013, convirtindose en la tecnologa con mayor contribucin a la cobertura de la demanda, por encima incluso de laenerga nuclear. La energa elica es un recurso abundante,renovable, limpio y ayuda a disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero al reemplazar fuentes de energa a base de combustibles fsiles, lo que la convierte en un tipo deenerga verde. El impacto ambiental de este tipo de energa es adems, generalmente, menos problemtico que el de otras fuentes de energa.

1.1.2 Aerogeneradores energa accesible Los aerogeneradores, tienen diversas aplicaciones especficas, ya sea elctricas o de bombeo de agua, mediante el aprovechamiento y transformacin de energa elica en energa mecnica. Se entiende por energa elica a los vientos que existen en el planeta producto de fenmenos que se estudiaran ms adelante.Esta energa, es inagotable, no contamina; y aunque la instalacin de uno de estos aparatos es relativamente costosa y morosa, a la larga se sentirn los resultados positivos, especialmente en el campo econmico.Un punto que vale hacer notar, es la autonoma frente a la fuente ms cercana accesible, que en este caso es la Empresa Nacional de Energa (ENDE). Esta ltima no siempre se presenta en los pueblos alejados, por el costo que supone instalar una red hacia aquellos.

1.1.3 Historia de los aerogeneradores

Es importante destacar e interesante adems, algunas fechas dentro de la tecnologa elica y de la utilizacin de aeromotores.En el s. V a.C. se encuentran los primeros aeromotores en Asia: son mquinas de eje vertical iguales a las denominadaspanemonasde algunas islas griegas. Ms o menos por la misma poca, en Egipto se utilizaban molinos de eje vertical para moler grano y bombear agua, tambin en la zona de Sijistn entre Irn y Afganistn.Todos estos molinos tenan el mismo principio: transformar la energa elica en energa para el bombeo de agua y la molturacin del grano entre otras.En el siglo VII d.C. se da origen a los primeros modelos rsticos de los clsicos molinos holandeses que hoy en da son mecnicamente sofisticados. O los aeromotores para el bombeo de agua que progresa con la invencin de las multparas en 1870 por los americanos.Fue en el ao 1802 cuando Lord Kelvin trat de asociar un generador elctrico a un aeromotor para la produccin de energa elctrica.Hacia el ao 1920 la energa elica obtiene cierto xito, pues haba trescientos constructores de estos aparatos.El estudio en los campos de la aerodinmica permiti alcanzar enormes progresos en los aeromotores, esto hasta el ao 1961; desgraciadamente en ese ao el precio del petrleo baj, poniendo al kilowatt "elico" a precios inaccesibles. Todas las mquinas fueron desmontadas y vendidas al precio de chatarra.Desde el ao 1973 ocurre el proceso inverso, impulsando programas de estudio y realizacin de aerogeneradores. La demanda en pases industrializados es mnima. Pero no obstante la demanda en pases tercermundistas aument de nivel, esto por el obvio bajo costo de produccin e instalacin de estos aparatos en comparacin a las ganancias retribuidas.

1.2 Configuracin de estaciones elicas

Un parque o central elica tpico est formado por generadores de gran potencia, con torres tubulares de 50 m a 60 m de altura (en la actualidad llegan a alcanzar los 120 m), y rotores de unos 90m a 120m de dimetro (hasta 150 m recientemente). Se separan lateralmente unos 3 dimetros para reducir las interferencias mutuas, formando filas. Para evitar interferencias entre las estelas turbulentas creadas por las turbinas se puede instalar una nueva fila de aerogeneradores como mnimo a unos 8 dimetros a sotavento, lo que permite que el mezclado turbulento del aire rellene el defecto de cantidad de movimiento en las estelas. El terreno ocupado por las cimentaciones, las vas de acceso y el sistema elctrico son del 1%, por lo que el restante 99% puede ser dedicado a la agricultura normal. Esto supone una ocupacin por kW producido del orden de 1/3 de una central trmica de carbn.La configuracin precisa depende del tipo de terreno (llano, ondulado o accidentado) sobre el que se asiente el parque y de la variabilidad direccional del viento. Los terrenos llanos permiten disposiciones armoniosas y muy extensas, lo que contribuye a la esttica del conjunto. Los terrenos accidentados permiten la instalacin muy concentrada de aerogeneradores, dificultando el diseo de las instalaciones, la construccin de las mismas y en general dan como resultado una esttica menos aceptable. En este tipo de parques se llega a juntar las torres de dos o tres dimetros des rotor si la direccin del viento es dominante. Para vientos variables de direccin es necesaria una separacin mayor que evite interferencias aerodinmicas mutuas.Las instalaciones situadas sobre el mar tienen un gran inters por la gran extensin disponible y por la calidad del viento, sin embargo, an son muy costosas (el doble que una en tierra) y quedan muchas incgnitas tcnicas por despejar. Se estima que la tecnologa de creacin de una base para erigir la aeroturbina ms apropiada es: Cimentacin por gravedad para profundidades de menos de 15 m. Monopilotaje para profundidades hasta 25 m. Pilotaje de trpode para profundidades hasta 50 m. Plataformas flotantes para profundidades superiores a 50 m

1.3 Tipos de aerogeneradores

Tipos de generadores elicos y sus aplicaciones

Generadores elicos de eje horizontal

Son los ms utilizados y de mayor potencia. Bsicamente se distinguen tres tipos:

Molinos de viento convencionales

Son los clasicos molinos usados antiguamente y que en la actualidad se conservan como recuerdo histrico pero sin prestar servicio. Ver siguiente figura:

Esquema de un clsico molino de viento orientado por una elica

Sus caractersticas principales son: Longitud de la palas: entre 5 y 15 m, y su anchura del orden de un 20% de su longitud. El material del que se construan es de madera. Velocidad de rotacin: variable entre 10 y 40 rpm, en funcin de la longitud de las palas, correspondiendo los valores menores a las palas de mayor longitud. La orientacin de la rueda de palas para situarla perpendicularmente al viento incidente se llevaba a cabo mediante un brazo orientable o bien por medio de una pequea elica auxiliar que actuaba en forma de veleta de orientacin.Aerogeneradores lentosEs un generador con un elevado nmero de palas. Generalmente su sistema de orientacin es mediante un timn-veleta que hace que el plano de la hlice se site siempre perpendicular a la direccin del viento. Ver la siguiente figura:

Esquema de un aerogenerador lento (18 palas) adecuado para el accionamiento directo de una bomba hidrulica para la extraccin de agua de pozo

Sus caractersticas fundamentales son: Nmero de palas elevado, entre 12 y 24. Dimetro entre 3 y 10 m, limitado por el elevado peso del rotor.Se adaptan muy bien a vientos de pequea velocidad. Su arranque se produce a partir de una velocidad del viento entre 2 y 3 m/s. Potencias pequeas debido bsicamente a dos razones: usan vientos de baja velocidad (entre 3 y 7 m/s) y tienen un dimetro limitado por el peso del rotor debido al elevado nmero de palas. Su campo de aplicacin fundamentalmente se centra en las instalaciones de extraccin y bombeo de agua. Presentan un valor elevado del coeficiente de par elevado para pequeos valores de velocidad especfica.Aerogeneradores rpidosEn este tipo de aerogeneradores el nmero de palas es pequeo. Su ventaja respecto a las elicas lentas es que su potencia por unidad de peso es mucho mayor, por lo que al ser ms ligeros pueden construirse generadores de un radio mucho mayor, as como situar el buje o punto de giro central del rotor a alturas mucho mayores y por consiguiente aprovechar el efecto de aumento ed la velocidad del viento con la altura. En la actualidad se construyen elicas con dimetros de rotor que alcanzan los 90 m y con una potencia nominal de 3 MW, lo que da una idea del rea de barrido del rotor.

Las caractersticas principales son:

Reducido nmero de palas, entre 1 y 4, aunque los ms usados son de 3 palas. Mquinas ms ligeras que las elicas lentas, y por lo tanto pueden construirse de mayor tamao. Requieren una velocidad del viento para su arranque mayor que las elicas lentas (entre 4 y 5 m/s). Poseen un par de arranque menor. Alcanzan su potencia nominal para velocidades del viento entre 12 y 15 m/s. A partir de velocidades del orden de 25 a 30 m/s se produce la parada del rotor para evitar daos sobre la mquina. En los aerogeneradores rpidos, el valor mximo del coeficiente de potencia se sita en el entorno de Cp=0,4.

Se utilizan para la generacin de energa elctrica, pudiendo ser en sistemas aislados o conectados a la red. Los generadores utilizados en sistemas aislados generalmente son ms pequeos (de 3 a 50 KW) que los que se conectan a la red elctrica (de 250 a 3000 KW). Ver siguientes figuras:

Aerogenerador de eje horizontal tripala

Nmero de palas

Diferentes tipos de rotores de aerogeneradores de eje horizontal

Rotores monopala:Permite una mayor velocidad de rotacin, reduccin de masas y costes de material, en las palas, en la caja multiplicadora y en el generador. Tienen el inconveniente de necesitar un equilibrado muy preciso con un contrapeso de compensacin, y existe un mayor riesgo de desequilibrio aerodinmico y vibraciones con la aparicin de cargas de fatiga. Tambin aumenta la generacin de ruidos. Del orden del doble que un rotor tripala.Rotores bipala:Reduce el coste de material y equipos respecto del rotor tripala, pero presenta tambin la desventaja respecto a ste ultimo de un mayor nivel de esfuerzos dinmicos. De forma similar a rotor monopala se producen esfuerzos mecnicos originados por la variacin del perfil de la velocidad del viento con la altura. Adems estos rotores presentan respecto a los tripalas un mayor nivel de vibraciones y de ruido.Rotores tripala:presentan como principal ventaja la de un giro ms suave y uniforme debido a las propiedades de su momento de inercia, por lo que se mniminiza la induccin de esfuerzos sobre la estructura. Adems gira a menor velocidad que los rotores mono y bipala, disminuyndose los esfuerzos de la fuerza centrfuga, el nivel de vibraciones y la produccin de ruido. En la actualidad el rotor tripala es la configuracin ms usada en turbinas elicas rpidas dedicadas a la generacin de electricidad.

Disposicin del rotor con relacin al viento

Tipos de disposicin de un rotor de un aerogenerador de eje horizontal con relacin al viento

Rotor a barlovento:el viento incide primero sobre el palmo del rotor y posteriormente sobre la torre de sustentacin, con lo cual se minimiza el efecto de sombra sobre el rotor, y la paracicin de vibraciones y esfuerzos de fatiga sobre las palas del rotor. Este tipo de disposicin requiere un rotor ms rgido y ms alejado de la torre a fin de evitar interferencias entre lo labes del rotor y la torre debido a la flexin de los mismo por el esfuerzo de empuje del viento.Este rotor, a diferencia del rotor a sotavento, necesita un sistema de orientacin que mantenga siempre el plano de giro de rotor orientado perpendicularmente a la direccin del viento.Rotor a sotavento:No requieren ningn tipo de dispositivo de orientacin. Su desventaja radica en los efectos de sombra de la gndola y de la torre sobre las palas del rotor con la consiguiente prdida de potencia y aumento de tensiones de fatiga, adems, se pueden producir en rollos en el cable conductor que transporta la energa producida por el generador situado en la gndola que gira libremente.

Ventaja de los aerogeneradores rpidos frente a los lentos

Son mucho ms ligeros y econmicos a igualdad de dimetros, por lo cual se construyen con grandes dimetros (40 a 90 m) y con rotores situados a elevadas alturas (hasta unos 100 m). Disponindose de generadores elicos de gran potencia (0,5 a 3 MW). Ya que se pueden construir rotores que barran reas elevadas y beneficiarse con el aumento de velocidad del viento con la altura. Resisten mejor los esfuerzos provocados por las rfagas de viento. Al tener menor nmero de palas es ms fcil incorporar mecanismos que permitan el giro de las mismas alrededor de la torre para lograr regular la potencia de generacin o proteger el rotor en caso de vientos muy fuertes. El empuje axial debido a la accin del viento sobre el rotor parado es menor en las elicas rpidas que cuando est girando, no sucediendo esto en las lentas. Al girar ms rpidas, el tamao y coste de la caja multiplicadora que acciona el generador elctrico se reduce. En los grandes aerogeneradores la velocidad de rotacin est en el rango de 15 a 50 rpm siendo la velocidad de la punta de la pala no mayor a 65 75 m/s.Frente a las ventajas citadas, la elicas rpidas tienen el inconveniente de presentar un par o momento de arranque mucho menor que las elicas lentas.

En la siguiente figura se muestra el aspecto general de un gran aerogenerador tripala.

Esquema de un aerogenerador de gran potencia

Generador Elico modelo V90 del fabricante Vestas de 3 MW de potencia, una altura mxima del eje del rotor de 105 metros y un diametro del rotor de 90 metros. En este video se pueden apreciar los componentes y las principales caractersticas de este generador.

Generadores elicos de eje vertical

Se han realizado numerosos prototipos y experiencias con diferentes elicas de eje vertical, pero por razones tcnicas y econmicas su implantacin en la prctica es muy limitada, por lo que la mayora de generadores elicos son de eje horizontal.El rotor de las elicas de eje vertical bsicamente suele ser de los siguientes tipos: Rotor de arrastre diferencial, sin o con pantalla (Savonius). Rotor de variacin cclica de incidencia (Darrieus).

Elica de rotor de arrastre diferencial: rotor Savonius

Este rotor se basa en la diferente fuerza aerodinmica que ejerce un flujo de aire sobre objetos de distinta forma.Si se concibe un rotor formado por un conjunto de labes en forma de cazoletas semiesfricas o semicilndricas colocadas en la forma que se indica en la siguiente figura, la accin del viento origina fuerzas distintas en las partes cncava y convexa de estas cazoletas, lo que da lugar a un par que provoca el giro del rotor. Debido a que la fuerza que origina el par es la diferencia entre los labes o paletas del rotor, este tipo de mquina recibe el nombre de arrastre diferencial.

Accin del viento sobre un rotor de arrastre diferencial

Generador de eje vertical con deflectores que impiden la fuerza de contrapresin del viento sobre los alabes del rotor

Para eliminar el efecto nocivo de la fuerza Fque acta sobre el labe o cazoleta inferior (que se mueve en sentido opuesto a la velocidad del viento), se puede incorporar al rotor una pantalla orientable por medio de un timn-veleta, junto con un sistema de deflectores adecuado que facilite la canalizacin del flujo de aire sobre las palas activas, segn se muestra en la siguiente figura. La mejora que experimenta el equipo cuando se apantalla el rotor es importante.

Rotor de arrastre diferencial provisto con una pantalla giratoria que impide la accin del viento sobre los labes situados en la parte inferior de la figura

Prototipo de un generador elico de eje vertical con placas deflectoras en el frente del aerogenerador para direccionar el aire hacia las paletas de empuje de la turbina y evitar la fuerza de contrapresin sobre el resto de las paletas del generador.

Elica de rotor de variacin cclica de incidencia: rotor Darrieus

El rotor est formado por un conjunto de labes, unidos entre si, que pueden girar alrededor de un eje vertical y cuya seccin recta tiene forma de un perfil aerodinmico. Ver siguiente figura.

Aerogeneradores de eje vertical

Las palas o labes estn arqueadas con una forma parecida a la que forma una cuerda que gira alrededor de un eje. Los labes son biconvexos y la superficie descripta por los mismos puede tener diversas formas: esfrica, parablica, cilndrica, etc. El giro del rotor est provocado por la accin aerodinmica del viento sobre los labes, que origina fuerzas aerodinmicas que dan lugar al par de rotacin.El par de arranque de un rotor Darrieus es muy pequeo, y en la prctica requiere un arranque auxiliar. En algunos prototipos se combina un rotor Savonius para facilitar el arranque del primero. La principal ventaja que representa el rotor Savonius frente al Darrieus es la sencillez de su construccin y mejores valores para el par de arranque a bajas velocidades. Puede decirse que el rotor Savonius slo es til para pequeas potencias y aplicaciones muy limitadas como el bombeo de agua de pozos.

Comparacin entre generadores de eje horizontal y de eje vertical

Las principales ventajas de las elicas de eje horizontal frente a las de eje vertical son: Los de eje horizontal tienen un coeficiente de potencia (Cp) mayor. Las elicas rpidas de eje horizontal presentan una velocidad de giro mayor que las de eje vertical, por lo que son ms adecuadas para el accionamiento de generadores elctricos que giran a 1000 o 1500 rpm. Las elicas de eje horizontal permiten barrer mayores superficies que las de eje vertical, por lo que alcanzan potencias muchos mayores. Las de eje horizontal aprovechan el efecto beneficioso del aumento de la velocidad del viento con la altura respecto del suelo. La configuracin de las de eje vertical impide alcanzar alturas elevadas y por lo tanto no pueden aprovechar este efecto.

En cambio, las elicas de eje vertical presentan las siguientes ventajas frente a las de eje horizontal: Dada su simetra vertical, no necesitan sistemas de orientacin para alinear el eje de la turbina con la direccin del viento, como ocurre en las de eje horizontal. Su mantenimiento es ms sencillo, dada su poca altura con respecto al suelo. Cuando la elica trabaja en una aplicacin que requiere velocidad constante, no es necesario incorporar ningn mecanismo de cambio de paso. Las elicas de eje horizontal son las ms usadas en la prctica. Las elicas de eje vertical se utilizan bsicamente para investigacin

1.3.1Mquinas con rotor a barlovento

Las mguinas con rotor a barlovento tienen el rotor de cara al viento. La principal ventaja de los diseos corriente arriba es que se evita el abrigo del viento tras la torre. Con mucho, la gran mayora de los aerogeneradores tienen este diseo. Por otro lado, tambin 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. As pues, cada vez que el rotor pasa por la torre, la potencia del aerogenerador cae ligeramente.El principal inconveniente de los diseos corriente arriba es que el rotor necesita ser bastante inflexible, y estar situado a una cierta distancia de la torre (como muchos fabricantes han averiguado de su coste). Adems, una mquina corriente arriba necesita un mecanismo de orientacin para mantener el rotor de cara al viento1.3.2Maquinas con rotor sotaventoLas mquinas con rotor a sotavento tienen el rotor situado en la cara a sotavento de la torre. La ventaja terica que tienen es que pueden ser construidos sin un mecanismo de orientacin, si el rotor y la gndola tienen un diseo apropiado que hace que la gndola siga al viento pasivamente. Sin embargo, en grandes mquinas sta es una ventaja algo dudosa, pues se necesitan cables para conducir la corriente fuera del generador. Cmo detorsiona los cables si la mquina ha estado orientndose de forma pasiva en la misma direccin durante un largo periodo de tiempo, si no dispone de un mecanismo de orientacin? (Los anillos rozantes o los colectores mecnicos no son muy buena idea si se est trabajando con corrientes de 1000 amperios).Una ventaja ms importante es que el rotor puede hacerse ms flexible. Esto supone una ventaja tanto en cuestin de peso como de dinmica estructural de la mquina, es decir, las palas se curvarn a altas velocidades del viento, con lo que le quitarn parte de la carga a la torre.El inconveniente principal es la fluctuacin de la potencia elica, debida al paso del rotor a travs del abrigo de la torre. Esto puede crear ms cargas de fatiga en la turbina que con un diseo corriente arriba.

1.3.3 Aerogenerador de eje horizontalSon aquellos en los que el eje de rotacin del equipo se encuentra paralelo al suelo. Esta es la tecnologa que se ha impuesto, por su eficiencia y confiabilidad y la capacidad de adaptarse a diferentes potencias.Las partes principales de un aerogenerador de eje horizontal son: Rotor: las palas del rotor, construidas principalmente con materiales compuestos, se disean para transformar la energa cintica del viento en un momento torsor en el eje del equipo. Los rotores modernos pueden llegar a tener un dimetro de 42 a 80 metros y producir potencias equivalentes de varios MW. La velocidad de rotacin est normalmente limitada por la velocidad de punta de pala, cuyo lmite actual se establece por criterios acsticos. Gndola o nacelle: sirve de alojamiento para los elementos mecnicos y elctricos (multiplicadora, generador, armarios de control, etc.) del aerogenerador. Caja de engranajes o multiplicadora: puede estar presente o no dependiendo del modelo. Transforman la baja velocidad del eje del rotor en alta velocidad de rotacin en el eje del generador elctrico. Generador: existen diferente tipos dependiendo del diseo del aerogenerador. Pueden sersncronosoasncronos,jaula de ardillao doblemente alimentados, con excitacin o con imanes permanentes. Lo podemos definir como parte del generador que convierte la energa en electricidad. La torre: sita el generador a una mayor altura, donde los vientos son de mayor intensidad y para permitir el giro de las palas y transmite las cargas del equipo al suelo. Sistema de control: se hace cargo del funcionamiento seguro y eficiente del equipo, controla la orientacin de la gndola, la posicin de las palas y la potencia total entregada por el equipo.Todos los aerogeneradores de eje horizontal tienen su eje de rotacin principal en la parte superior de la torre, que tiene que orientarse hacia el viento de alguna manera. Los aerogeneradores pequeos se orientan mediante una veleta, mientras que los ms grandes utilizan un sensor de direccin y se orientan por servomotores o motorreductores.Existen 2 tecnologas de generadores elctricos: multi-polos y de imanes permanentes. Los primeros funcionan a velocidades del orden de 1000 rpm. Dado que la velocidad de rotacin de las aspas es baja (12 rpm), requieren el uso de unacaja reductorao multiplicadora para conseguir una velocidad de rotacin adecuada. Los de imanes permanentes no requieren multiplicadora.En la mayora de los casos la velocidad de giro del generador est relacionada con la frecuencia de la red elctrica a la que se vierte la energa generada (50 o 60 Hz)

1.3.3.1 Con el eje paralelo a la direccin del vientoLos aerogeneradores de eje horizontal con el eje paralelo a la direccin del viento, en la actualidad son lasmquinasms difundidas y con mayores rendimientos que las otras existentes, algo muy importante en el momento de comenzar undiseo.En estegrupose incluyen aquellas que tienen 1, 2,3 o 4 palas, adems de las tpicas multipalas para el bombeo de agua.Entre estas mquinas se distinguen aquellas que tienen las palas situadas de "cara al viento" y aquellas que las tienen de "espalda al viento".Los aerogeneradores, generalmente van provistos de rotores bipala o tripala de cara al viento.

1.3.3.2 Con el eje perpendicular a la direccin del vientoLos aeromotores de eje vertical son presumiblemente, las primeras mquinas que se utilizaron para la captacin de energa elica, son conceptualmente ms sencillas que las de eje horizontal; no necesitan de ningn sistema de orientacin, lo que constituye una ventaja constructiva nada despreciable. En funcionamiento, las palas, los rodamientos y los ejes, no estn sometidos a esfuerzos importantes por cambios de orientacin, son de fcilconstruccin; sin embargo tienen la gran desventaja de poseer un rendimiento mediocre (el rotor Savonius alcanza un 20% del lmite de Betz)., es por ello que no se experiment un grandesarrolloen estos equipos. Existen 3 grandes familias de aeromotores de eje vertical:Aeromotores derivados del rotor de Savonius:Esencialmente utilizan el arrastre diferencial creado por las palas que pueden ser de diversas formas. El par de arrastre es elevado, pero la velocidad mxima es claramente inferior a la de los rotores de eje horizontal.Aeromotores derivados del rotor Darrieus.(patentado en 1931):Emplea la sustentacin de las palas y estn caracterizados por dbil par de arranque y velocidad de rotacin elevada que permite la recuperacin de una granpotencia.

Para mejorar el par de arranque se pueden acoplar otro tipo de rotores hacindolo mixto, por ejemplo: (Savonius-Darrieus). Lo cual afectara seguramente otras propiedades. Siendo necesario buscar las condiciones ptimas.Estas mquinas de eje perpendicular son susceptibles de competir con los aerogeneradores rpidos, bipalas y tripalas de eje horizontal; siendo en la actualidad objeto de estudio y desarrollo

1.3.3.3 monopala bipala y tripala ventajas e inconvenientes

De una pala (Monopala)

Los aerogeneradores Monopala requieren una mayor velocidad de giro para producir la misma energa de salida. Esto supone un inconveniente, ya que introduce en el eje unos esfuerzos muy variables que acorta la vida de la instalacin, adems de crear desventajas en lo que respecta al ruido como al aspecto visual.Al tener una sola pala, necesitan de un contrapeso en el lado del buje opuesto a la pala que equilibre el rotor. Obviamente, esto anula el ahorro de peso comparado con un diseo bipala.De dos palas (Bipala)

Los diseos de Bipalas tienen la ventaja de ahorro en cuanto a coste y peso, pero, al igual que los monopala, necesitan una velocidad de giro ms alta para producir la misma cantidad de energa de salida.Loa aerogeneradores bipala requieren de un diseo ms complejo, con un rotor basculante (buje oscilante), que tiene que ser capaz de inclinarse para evitar fuertes sacudidas en la turbina cada vez que una de las palas pasa por la torre.Los ingenieros de los aerogeneradores actuales evitan construir grandes mquinas con un nmero par de palas, pues pueden dar problemas de estabilidad de la turbina en una estructura rgida.

De tres palas (Tripala)

La mayora de los aerogeneradores modernos son Tripala, con el rotor a barlovento, usando motores elctricos para sus mecanismos de orientacin, a este diseo se le llama el clsicoconcepto dans.La gran mayora de las turbinas vendidas en los mercados mundiales poseen este diseo de concepto dans, el motivo es la friccin con el aire: con tres palas rinden un 4% ms que con dos y con 2 palas rinden un 10% ms que con una. Otra de las caractersticas es el uso de ungenerador asncrono.

1.3.3.4 Control de potencia Los aerogeneradores estn diseados para producir energa elctrica de la forma ms barata posible. As pues, estn generalmente diseados para rendir al mximo a velocidades alrededor de 15 m/s. Es mejor no disear aerogeneradores que maximicen su rendimiento a vientos ms fuertes, ya que los vientos tan fuertes no son comunes.En el caso de vientos ms fuertes es necesario gastar parte del exceso de la energa del viento para evitar daos en el aerogenerador. En consecuencia, todos los aerogeneradores estn diseados con algn tipo de control de potencia. Hay dos formas de hacerlo con seguridad en los modernos aerogeneradores.

1.3.4 Aerogenerador de eje vertical

Son aquellos en los que el eje de rotacin se encuentra perpendicular al suelo. Tambin se denominan VAWT (del ingls,Vertical Axis Wind Turbine), en contraposicin a los de eje horizontal o HAWT. Sus ventajas son: Se pueden situar ms cerca unos de otros, debido a que no producen el efecto de frenado de aire propio de los HAWT, por lo que no ocupan tanta superficie. No necesitan un mecanismo de orientacin respecto al viento, puesto que sus palas son omnidireccionales. Se pueden colocar ms cerca del suelo, debido a que son capaces de funcionar con una menor velocidad del viento, por lo que las tareas de mantenimiento son ms sencillas. Mucho ms silenciosos que los HAWT. Mucho ms recomendables para instalaciones pequeas (de menos de 10 kW) debido a la facilidad de instalacin, la disminucin del ruido y el menor tamao.Sus desventajas son: Al estar cerca del suelo la velocidad del viento es baja y no se aprovechan las corrientes de aire de mayor altura. Baja eficiencia. Mayor gasto en materiales por metro cuadrado de superficie ocupada que las turbinas de eje horizontal. No son de arranque automtico, requieren conexin a la red para poder arrancar utilizando el generador como motor Tienen menor estabilidad y mayores problemas de fiabilidad que los HAWT. Las palas del rotor tienen tendencia a doblarse o romperse con fuertes vientos.

1.3.4.1 Anemmetros de esferas y rotores de tipo savonius Las mediciones de las velocidades del viento se realizan normalmente usando un anemmetro de cazoletas, similar al del dibujo de la izquierda. El anemmetro de cazoletas tiene un eje vertical y tres cazoletas que capturan el viento. El nmero de revoluciones por segundo son registradas electrnicamente.

Normalmente, el anemmetro est provisto de una veleta para detectar la direccin del viento. En lugar de cazoletas el anemmetro puede estar equipado con hlices, aunque no es lo habitual.Otros tipos de anemmetros incluyen ultrasonidos o anemmetros provistos de lser que detectan el desfase del sonido o la luz coherente reflejada por las molculas de aire.

Los anemmetros de hilo electrocalentado detectan la velocidad del viento mediante pequeas diferencias de temperatura entre los cables situados en el viento y en la sombra del viento (cara a sotavento).

La ventaja de los anemmetros no mecnicos es que son menos sensibles a la formacin de hielo. Sin embargo en la prctica los anemmetros de cazoletas son ampliamente utilizados, y modelos especiales con ejes y cazoletas elctricamente calentados pueden ser usados en las zonas rticas.Existe gran diversidad de anemmetros.Los deempujeestn formados por una esfera hueca y ligera (Daloz) o una pala (Wild), cuya posicin respecto a un punto de suspensin vara con la fuerza del viento, lo cual se mide en un cuadrante.El anemmetrode rotacinest dotado de cazoletas (Robinson) o hlices unidas a un eje central cuyo giro, proporcional a la velocidad del viento, es registrado convenientemente; en los anemmetros magnticos, dicho giro activa un diminuto generador elctrico que facilita una medida precisa.El anemmetrode compresinse basa en el tubo de Pitot (un tubo con forma de L, con un extremo abierto hacia la corriente de aire y el otro conectado a un dispositivo medidor de presin), y est formado por dos pequeos tubos, uno de ellos con orificio frontal (que mide la presin dinmica) y lateral (que mide la presin esttica), y el otro slo con un orificio lateral. La diferencia entre las presiones medidas permite determinar la velocidad del viento.

Losrotores Savoniusson un tipo deturbina elicade eje vertical usadas para convertir el poder del viento en torsin sobre un eje rotatorio. Fueron inventadas por el ingeniero finlandsSigurd J. Savoniusen el ao 1922.Las Savonius son una de las turbinas ms simples. Esta diferencia causa que la turbina Savonius gire. Como es un artefacto de arento, soportan mejor las turbulencias y pueden empezar a girar con vientos de baja velocidad. Es una de las turbinas ms econmicas y ms fciles de usar .

Funcionamiento de una turbina Savonius.Aunque originalmente la turbina tena un espaciado entre las palas que corresponda a 1/3 del dimetro de una pala, lo ms comn hoy es utilizar un espaciado de 1/6 de pala. En otras palabras, la pala se superpone cubriendo 1/6 del dimetro de la otra (distancia een la figura de la izquierda). La relacin dimetro y altura es debatida. Algunos recomiendan que la altura sea el doble del dimetro (total), otros sealan que la eficiencia es mayor a razones 1:4 o 1:6

1.3.4.2 Aerogenerador tipo darrieusAerogenerador con rotor Darrieus: Patentado por G.J.M. Darrieus en 1931, es el modelo de los aerogeneradores de eje vertical de ms xito comercial. Consiste en un eje vertical asentado sobre el rotor, con dos o mas finas palas en curva unidas al eje por los dos extremos, el diseo de las palas es simtrico y similar a las alas de un avin, el modelo de curva utilizado para la unin de las palas entre los extremos del rotor es el de Troposkien, aunque puede utilizarse tambin catenarias. Evita la necesidad de diseos complejos en las palas como los necesarios en los generadores de eje horizontal, permite mayores velocidades que las del rotor Savonius, aunque sin alcanzar las generadas por los modelos de eje horizontal, pero necesita de un sistema externo de arranque.

1.4 Componentes de los aerogeneradores1.4.1 Las palasNormalmente las turbinas modernas estn formadas por dos o tres palas, siendo lo normal el uso de tres por la mayor suavidad en el giro que proporciona. Las palas estn fabricadas de un material compuesto de matriz polimrica (polister) con un refuerzo de fibras de vidrio o carbono para dar mayor resistencia. Pueden medir longitudes en el rango desde 1 metro hasta 100 metros y van conectados al buje del rotor. Dentro del buje hay ciertos elementos mecnicos que permiten variar el ngulo de incidencia (o pitch) de las palas.La mayora de los rotores en la actualidad son horizontales y pueden tener articulaciones, la ms habitual es la de cambio de paso. En la mayora de los casos el rotor est situado a barlovento de la torre, con el objeto de reducir las cargas cclicas sobre las aspas que aparecen si se situara a sotavento de ella, pues al pasar una pala por detrs de la estela de la torre , la velocidad incidente est muy alterada. Debido a este fenmeno, las torres de aeroturbinas con rotores a sotavento son de celosa metlica, por su mayor transparencia al viento.1.4.1.1 LongitudEl dimetro de las palas est en funcin de la potencia deseada. La determinacin de ste, fija tambin la frecuencia de rotacin mxima, que la hlice no deber pasar para evitar las tensiones en la punta de las palas, debidas a la fuerza centrfuga. Es esencial tener en cuenta la fatiga de las palas y los riesgos de vibraciones, sobre todo para las palas muy largas.

en m125102050

n max (rpm.)2000100040020010040

Organigrama para la determinacin de los elementos de aeromotor.Las velocidades de giro que se dan en la tabla definen la envolvente representada en el siguiente grfico.1.4.1.2 El perfilSe elige funcin del par deseado, cada perfil proporciona, para el ngulo de ataque ptimo un par funcin de Cz y de Cx, (Despreciable ante Cz para el ngulo de ataque ptimo).Cuando ya se ha elegido el perfil y la velocidad de giro para la velocidad nominal del viento, se determina el calaje.Para la mayora de aeromotores de mediana y pequea potencia las palas no estn alabeadas, es decir, el ngulo de ataque slo es ptimo para una seccin de la pala, situada entre la mitad y los dos tercios.Sin embargo, la mayora de los aeromotores de ms de 100 KW tienen las palas alabeadas.

Las caractersticas de los perfiles se determinan en el tnel aerodinmico. Estos datos son constantes estudiadas en especial para la aviacin militar y comercial. A Cada perfil se le asocia generalmente el nombre del laboratorio y un nmero de referencia.

1.4.1.3 AnchuraLa anchura de las palas no interviene en la potencia del aeromotor, que esta en funcin de la superficie barrida. La anchura interviene en el par de arranque (que son dos fuerzas de igual magnitud y sentido opuesto, cuyas lneas de accin son paralelas pero no coinciden. Estas no producen traslacin, el nico efecto del par es la rotacin) que ser mayor cuanto ms ancha sea la pala, pero para obtener velocidades de rotacin elevadas se prefieren las palas finas y ligeras. Entonces el resultado ser s un compromiso entre estos dos factores.

1.4.1.4 numero de palasAeromotor con par de arranque elevado.Son las hlices multipalas conocidas por todo el mundo para el bombeo de agua y cuyo para de arranque es proporcional al nmero de palas y al dimetro. Su rendimiento respecto al lmite de Betz es pequeo, puesto que la velocidad de la punta de la pala est limitada, su dimetro mximo es de 8 metros.Aeromotores denominados "rpidos".Generalmente son bipalas o tripalas; el nmero de palas no tiene influencia en la potencia proporcionada, sino que es funcin de la superficie barrida por el rotor.La mquinas que se construan antes eran generalmente tripalas, pero en la actualidad suelen ser bipalas, aunque sean de pequea o gran potencia

1.4.2 Sistemas de proteccinCualquiera que sea el tipo de aeromotor es necesario, para evitar su destruccin cuando los vientos son demasiados fuertes, que est provisto de un sistema que permta disminuir las tensiones mecnicas en la hlice.

1.4.2.1 frenado manual.

Es el mtodo ms simple para proteger la hlice de la destruccin. Cuando el viento alcanza una cierta fuerza un operador detiene el rotor con ayuda de un freno, ponindolo paralelo al viento (en bandera) o modificando el ngulo de calaje de las palas para obtener un par motor nulo (este es el sistema ms eficaz).En nuestro caso aplicaremos un sistema de frenado utilizado en el tren trasero de los automviles Volkswagen, este sistema conocido trabaja por medios mecnicos, como ser de conocimiento este sistema es de freno es de tambor aplicado sobre balatas.

1.4.2.2. Frenado automtico.

Los medios citados pueden automatizarse mediante la accin del viento sobre un "pala" de mando.La pala anexa est paralela y es solidaria al plano de rotacin de la hlice.Cuando la presin del viento sobre la pala alcanza un cierto valor, acciona mecnicamente una leva para poner en bandera al rotor o frenar el eje de giro ( la presin del viento es proporcional al cuadrado de la velocidad V y a la superficie de las palas S; P = KSV?; K ~ 0,9).El dispositivo precedente puede asociarse a un resorte que ponga en funcionamiento (posicin inicial), al aeromotor cuando la velocidad del viento est por debajo de la velocidad mxima que puede aguantar el aeromotor.Incluso la accin en este caso puede ser progresiva. en efecto, el ngulo que forma el plano de la hlice con el viento, depende de la presin sobre la pala y la velocidad de rotacin disminuira hasta cero cuando el ngulo pase de 90? a 0?.Estos sistemas no pueden utilizarse ms que con los aeromotores cuya velocidad de giro no debe ser constante. Por otra parte, presentan el gran inconveniente de interrumpir el funcionamiento del aeromotor ms all de una cierta velocidad del viento.Estos son los sistemas de regulacin ms utilizados en los aeromotores de bombeo, en los cuales la constancia de la velocidad de giro as como el rendimiento no son importantes, ya que el agua puede almacenarse fcilmente.

1.4.3 sistemas de regulacinSe revisar rpidamente algunos tipos de regulacin. Al ser estos altamente costosos no se realizarn en la prctica de instalacin en zonas rurales.- Regulador patentado, utilizado por el aeromotor WINCHARGER.- Las palas principales estn fijas (calaje constante).- La regulacin dispone de dos paletas, P1 y P2, articuladas en O1 y O2 , sobre un soporte perpendicular al eje de las palas principales. Estas paletas tienen la parte delantera un poco ms larga y pesada que el posterior. Se mantienen en la posicin inicial mediante los tensores t1 y t2 y los muelles ajustados x1 y x2.Hasta una velocidad de giro determinada f0 (es decir, la velocidad del viento correspondiente a V0), las paletas estn en posicin concntrica. Actuando como un volante de inercia, tienden a mantener estable la velocidad de giro cuando la velocidad del viento vara durante breves momentos (pequeas rfagas).Las palas que tienen un calaje fijo aumentan su velocidad de giro con la del viento; cuando esta velocidad sobrepasa V0 la velocidad de giro sobrepasa f0 y la fuerza centrfuga y la presin del aire sobre las paletas son preponderantes. Las paletas P1 y P2 giran alrededor de O1 y O2 y toman la posicin correspondiente al frenado.

1.4.3.1 Utilizacin de la torre abatible como regulador

Se tratara de hacer una innovacin ms prctica para frenar o desactivar el giro del aeromotor.Aprovechando el movimiento de la torre de tipo basculante, se desactivar el aeromotor por causas de viento fuerte, clima desfavorable, cese de actividad o parada de urgencia.Este sistema es una variante del frenado automtico visto anteriormente. Con una aplicacin menos complicada.

1.4 sistemas de orientacionLos aeromotores de eje horizontal necesitan una orientacin permanente de la mquina en una direccin paralela a la del viento para disminuir los esfuerzos y las prdidas de potencia.Caractersticas del aerogenerador proyectado.Existen muchos dispositivos de orientacin, elegidos generalmente de acuerdo con la potencia del aeromotor. Son parte importante del buen rendimiento de la instalacin elica.Los aeromotores de eje horizontal estn sometidos a fuertes esfuerzos durante los cambios bruscos de orientacin, originados por los cambios de velocidad y direccin del viento. Estos esfuerzos son mayores cuanto mayores sean las aceleraciones que se producen en un cambio de direccin.La componente perpendicular al eje de rotacin de la hlice es proporcional al cuadrado de la velocidad de giro alrededor del eje principal ( en rad/s).Los cambios de direccin y las variaciones de frecuencia de rotacin provocada por las rfagas son el origen de vibraciones nefastas para el buen funcionamiento del aeromotor.El sistema de orientacin deber cumplir con la condicin necesaria de mantener el rotor cara al viento sin provocar grandes cambios de direccin del rotor cuando se produzcan cambios rpidos de la direccin del viento.Para los aeromotores de pequea y mediana potencia, cuya hlice est situada cara al viento, el dispositivo de orientacin es una cola, constituida generalmente por una superficie plana (placa metlica o de madera) situada en el extremo de un soporte unido al cuerpo del aeromotor.La condicin antes descrita se obtiene por la determinacin de la superficie de la cola sobre la cual se ejerce el par de giro.Esta superficie se determina experimentalmente situando la mquina prototipo en un lugar donde la corriente de aire est perturbada y buscando la superficie ptima de la cola.Cuando la cola se sita en el eje aeromotor, la longitud de soporte juega una funcin importante, puesto que cuanto ms largo sea menos se situar en la zona de turbulencias del aeromotor, originadas por el giro de la hlice.Para evitar que la cola este situada en la zona de turbulencias debidas a la rotacin de la hlice (una distancia igual a 6 o 10 veces el dimetro.

UNIDAD 2 CALCULO DE LA ENERGIA PRODUCIDA POR UN AEROGENERADOR

2.1 Potencia extrable del viento limite de betz

Tericamente, la energa mxima extrable del viento es independiente del nmero de palas y viene determinada por la Ley de Betz. Esta ley se basa en la idea de que un aerogenerador ralentiza el viento al pasar por el rotor hasta 2/3 de su velocidad inicial. Esto significa que no es posible aprovechar toda la energa cintica del viento.La Ley de Betz postula: Slo puede convertirse menos de 16/27 (aproximadamente el 59%) de la energa cintica del viento en mecnica usando un aerogenerador. En la prctica la potencia mxima extrable oscila entre el 40% y el 50%.La potencia generada por un aerogenerador depende en gran medida de la velocidad del viento, pero tambin del rea barrida por las palas por lo que actualmente la tendencia es hacer los aerogeneradores cada vez ms altos (a ms altura mayor velocidad del viento) y con palas ms largas (mayor superficie de barrido de las palas). En la siguiente figura podemos ver grficamente la evolucin de los aerogeneradores:

Respecto al nmero de palas hay que destacar que los rotores tripala han demostrado su eficacia y eficiencia, y se han convertido en los ms utilizados en todo el mundo: Un mayor nmero de palas permite obtener sistemas ms equilibrados y estables.As, un rotor de tres palas es mucho ms estable que uno bipala o monopala, es decir, presenta un equilibrio mucho mejor de fuerzas giroscpicas y sufre menos vibraciones. Cuanto menor es el nmero de palas mayor es la velocidad de giro, por lo que, en una situacin de fuertes vientos, es ms conveniente un aerogenerador tripala que uno bipala a fin de evitar que la velocidad de giro alcanzada por el rotor sea demasiado elevada. Una velocidad de rotacin muy alta puede generar problemas de ruido y ms desgaste en algunas piezas del aerogenerador, adems de aumentar la probabilidad de daos a la avifauna.

2.2 Curva de potencia de un aerogenerador

La curva de potencia de un aerogenerador es un grfico que indica cul ser la potencia elctrica disponible en el aerogenerador a diferentes velocidades del viento.

El grfico muestra una curva de potencia de un tpico aerogenerador dans de 600 kW.Las curvas de potencia se obtienen a partir de medidas realizadas en campo, dnde unanemmetroes situado sobre un mstil relativamente cerca del aerogenerador (no sobre el mismo aerogenerador ni demasiado cerca de l, pues el rotor del aerogenerador puede crear turbulencia, y hacer que la medida de la velocidad del viento sea poco fiable).Si la velocidad del viento no est variando demasiado rpidamente, pueden usarse las medidas de la velocidad del viento realizadas con el anemmetro y leer la potencia elctrica disponible directamente del aerogenerador, y dibujar los dos tipos de valores conjuntamente en un grfico similar al de la izquierda.Incertidumbre en mediciones de curvas de potenciaEn realidad, en el grfico puede verse una nube de puntos esparcidos alrededor de la lnea azul, y no una curva bien definida.El motivo es que en la prctica la velocidad del viento siempre flucta, y no se puede medir exactamente la columna de viento que pasa a travs del rotor del aerogenerador (colocar un anemmetro justo enfrente del aerogenerador no es una solucin factible, ya que el aerogenerador tambin proyectar un "abrigo" que frenar el viento enfrente de l).As pues, en la prctica se debe tomar un promedio de las diferentes medidas para cada velocidad del viento, y dibujar el grfico con esos promedios.Adems, es difcil hacer medidas exactas de la propia velocidad del viento. Si se tiene un 3 por ciento de error en las mediciones de la velocidad del viento, entonces laenerga del vientopuede ser un 9 por ciento superior o inferior (recuerde que el contenido energtico vara con la tercera potencia de la velocidad del viento).En consecuencia, pueden existir errores hasta de 10% incluso en curvas certificadas.Verificacin de las curvas de potenciaLas curvas de potencia estn basadas en medidas realizadas en zonas de baja intensidad deturbulencias,y con el viento viniendo directamente hacia la parte delantera de la turbina. La turbulencia local y los terrenos complejos (p.ej. aerogeneradores situados en una pendiente rugosa) pueden implicar que rfagas de viento golpeen el rotor desde diversas direcciones. Por lo tanto, puede ser difcil reproducir exactamente la curva en una localizacin cualquiera dada.

Riesgos en el uso de las curvas de potenciaUna curva de potencia no indicar cuanta potencia producir un aerogenerador a una cierta velocidad del viento media. Ni siquiera se acercar si usa este mtodo!Recuerde que el contenido de energa vara fuertemente con la velocidad del viento, tal como se vio en la seccin sobrela energa en el viento.Por lo tanto, es muy importante la forma a la que se ha llegado a ese promedio, es decir, si los vientos varan mucho o si soplan a una velocidad relativamente constante.Tambin, puede acordarse del ejemplo en la seccin sobre la funcin de densidad de potencia,que la mayor parte de energa elica est disponible a las velocidades del viento que son el doble de la velocidad del viento ms comn en dicho emplazamientoFinalmente, debe tenerse el cuenta el hecho de que la turbina puede no estar girando a la temperatura y presin de aire estndar, y consecuentemente hacer correcciones de los cambios en la densidad del aire

2.3 coeficiente de potencia velocidad especfica y coeficiente de par

El coeficiente de potencia indica con qu eficiencia el aerogenerador convierte la energa del viento en electricidad.

Simplemente dividiendo la potencia elctrica disponible por la potencia elica de entrada, para medir como de tcnicamente eficiente es un aerogenerador. En otras palabras, tomamos lacurva de potenciay la dividimos por el rea del rotor para obtener la potencia disponible por metro cuadrado de rea del rotor. Posteriormente, para cada velocidad del viento, dividimos el resultado por la cantidad depotencia en el vientopor metro cuadrado.El grfico muestra la curva del coeficiente de potencia para un aerogenerador dans tpico. Aunque la eficiencia media de estos aerogeneradores suele estar por encima del 20 por cien, la eficiencia vara mucho con la velocidad del viento (pequeas oscilaciones en la curva suelen ser debidas a errores de medicin).Como puede observar, la eficiencia mecnica del aerogenerador ms alta (en este caso del 44%) se da a velocidades alrededor de 9 m/s. Este valor ha sido elegido deliberadamente por los ingenieros que disearon la turbina. A bajas velocidades del viento la eficiencia no es tan alta, ya que no hay mucha energa que recoger. A altas velocidades del viento, la turbina debe disipar cualquier exceso de energa por encima de aquella para la que ha sido diseado el generador. As pues, la eficiencia interesa sobretodo en la zona de velocidades de viento donde se encuentra la mayor parte de la energa.

2.4 Metodos de evaluacin de la energia producida

El resultado de un estudio de evaluacin de potencial elico suele incluir: valoresmediosy mximos, direcciones predominantes, distribucin de frecuencias de velocidades, curva de duracin, distribucin direccional, turbulencia y energa disponible. Lainstrumentacinnecesaria para estos estudios consiste en un anemmetro omnidireccional para la medida de la velocidad del viento, una veleta para medir direccin, ambos a unos 30 m de altura, untermmetroy un barmetro. La humedadambientey la precipitacin son medidas complementarias. Los datos de velocidad se registran cada 5 a 10 segundos y se utilizan para evaluar promedios cada 10 minutos a 1 hora. Si se desea informacin sobre la turbulencia se ha de medir con una cadencia de al menos 1 muestra/segundo. La presin atmosfrica basta medirla cada 3 horas y la temperatura cada hora. La duracin de las medidas ha de ser generalmente superior al ao con el objeto de reducir la incertidumbre sobre el potencial disponible en el lugar. Dado que resulta inconveniente prolongar excesivamente la campaa de medidas se toma un conjunto limitado de medidas y se hace uso de informacin disponible de lugares prximos (estaciones meteorolgicas, aeropuertos) para mejorar lacalidadde los resultados, junto con modelos numricos de la fluidodinmica atmosfrica.

2.5 concepto curva del parque

Adems de los parmetros que describen la distribucin de velocidades de viento, deben tenerse en cuenta las fluctuaciones de la velocidad del viento. Los movimientos de la atmsfera varan en un amplio rango de escalas temporales (entre segundos y meses) y espaciales (en centmetros a miles de kilmetros). Mediante un anlisis de series temporales de datos de viento en la regin cercana al suelo, se observa que existen determinados ciclos o fluctuaciones de la velocidad de viento en diversos rangos de frecuencias. Estos ciclos estn relacionados a las diferentes escalas del movimiento atmosfrico, los cuales no slo tienen relacin con laradiacinsolar, sino tambin por las energas procedentes de los diversos intercambios dinmicos, trmicos y radiactivos que tienen lugar de manera simultnea en la atmsfera.Una buena manera de separar las fluctuaciones a corto y largo plazo en la velocidad del viento es tener en cuenta el tiempo al que se refieren los anlisis y caractersticas del viento. En relacin con la distribucin la zona de muy bajas frecuencias del espectro representa la energa asociada a los ciclos anuales motivados por el movimiento de laTierraen su rbita alrededor del sol; a continuacin, la zona de bajas frecuencias intermedias constituye el rango meteorolgico de macroescala y las variaciones se deben a los movimientos sinpticos a gran escala de las masas de aire que ocurre normalmente debido a pasos de frentes ciclnicos y anticiclnicos con perodos de duracin entre tres y cuatro das. En la zona de alta frecuencia del espectro las variaciones son debidas a las turbulencias, y forma parte el rango meteorolgico de microescala como consecuencia del intercambio mecnico en las capas bajas de la atmsfera debido a las caractersticas superficiales del terreno, y los ciclos de energa estn centrados alrededor del intervalo de un minuto.Es importante tener en cuenta la ausencia de energa asociada en el intervalo entre diez minutos y dos horas. Una consecuencia prctica es que se puede considerar un tiempo de promedio en este intervalo sin perder informacin caracterstica de los ciclos tpicos de energa. La variacin espectral de la energa cintica del viento representa cuantitativamente y cualitativamente la distribucin de las frecuencias de variacin del viento.

UNIDAD 3 PRINCIPIOS GENERALES DE DISEO DE UNA INSTALACION EOLICA3.1. Factores externos.Hay una serie de factores externos al aerogenerador que tienen una influencia significativa en el diseo final del sistema.Caractersticas del emplazamientoLa velocidad media del viento del emplazamiento y la mxima velocidad del viento esperado durante un perodo de tiempo concreto (que puede ser de un siglo) determinarn, por un lado, la superficie del rotor para obtener la potencia requerida al aerogenerador. Adems las solicitaciones estticas en el rotor y en la torre vendrn estrechamente ligadas a estas caractersticas. El nivel de turbulencia atmosfrica del emplazamiento determinara el valor de las cargas aerodinmicas de fatiga de los componentes. Este nivel de turbulencia puede variar mucho de un lugar a otro.El sistema elctrico local influir en la eleccin del tipo de generador elegido. Las caractersticas del terreno determinarn adems, el tipo de fundacin e incluso el tamao mximo del rotor. Los problemas de transporte del aerogenerador estn directamente determinados por la accesibilidad del emplazamiento (por ejemplo islas o lugares remotos) y pueden limitar el tamao mximo del aerogenerador econmicamente rentable en dicho lugar. Factores medioambientalesCuanto mayor sea el nmero de aerogeneradores instalados, el impacto medioambiental crece, especialmente en zonas habitadas. Las emisiones acsticas (ruido) y el impacto visual debern ser considerados e incluso pueden ser cruciales a la hora de emprender un proyecto concreto.Condiciones de diseoLas facilidades de manufacturacin influyen en las decisiones de la eleccin de materiales y componentes. Esto es generalmente mas significativo cuando una compaa existente de aerogeneradores se propone mover sus productos que cuando una nueva empieza a darlos a conocer.Factores legalesLos aerogeneradores deben cumplir unos requisitos de seguridad dictados por las autoridades competentes de cada pas, reflejadas en una serie de Normas. Esto puede causar problemas al no existir uniformidad de dichas Normas entre los diferentes pases. Muchos de estos regulaciones que hay en los diferentes pases estn en constante transformacin lo que puede producir ciertos problemas y pueden dar lugar a confusin. Este es un problema de difcil solucin; un conocimiento previo de la legislacin ser de gran ayuda a la hora de definir las caractersticas de nuestro aerogenerador. 3.2. Opciones de diseoPara el diseo de un aerogenerador hay multitud de listas de diseo y permutaciones de diseo. Algunas veces es posible identificar un numero de grandes cambios los cuales dan unas caractersticas especificas al aerogenerador el cual hace tener un diseo diferente, como puede ser la posicin del rotor, el numero de palas, tipo de torre, etc.Estas opciones de construccin son explicadas a continuacin:Posicin del rotor.Consideraremos dos posiciones: - Rotor a barloventoLas turbinas elicas a barlovento son las que poseen el rotor o hlice enfrentando al viento, es decir delante de la torre. La ventaja bsica de este tipo de mquinas es que evitan la influencia de la sombra aerodinmica de la torre. Sin embargo, aunque en menor medida que en una configuracin a sotavento, existe una pequea perturbacin. Esto de debe a que en la porcin del rea del rotor que enfrenta a la torre se induce, igualmente, una variacin en el patrn normal de variacin presiones a lo largo de las lneas de flujo que atraviesan dicho sector. Debido a esto estas lneas de flujo empiezan a curvarse antes de llegar a la torre en si, an si la superficie de sta fuera cilndrica y perfectamente lisa. Es as que cada vez que las palas del rotor pasen por las cercanas de la torre la potencia que posee el viento, y que stas captan, cae sensiblemente.Una desventaja es que se necesita un rotor mas rgido y situado a cierta distancia de la torre ya que de otro modo existe el riesgo de interferencia con la misma debido a los esfuerzos que tienden a flexionar las palas en sentido flap. Esto aumenta considerablemente el costo de las mismas por requerir, sus materiales, mejores propiedades mecnicas.Sin embargo, la desventaja principal de una configuracin a barlovento, dentro de las dimensiones y/o potencia de la que se trata la turbina en estudio, es que requiere un sistema de orientacin del rotor que lo mantenga enfrentando al viento. Tales sistemas pueden ser activos o pasivos. Un sistema de orientacin activo requiere utilizar sensores de direccin y accionamientos motorizados que guen al rotor automticamente hacia la direccin del viento. Un sistema de orientacin pasivo en una turbina de rotor a barlovento son los que utilizan una aleta estabilizadora y como se explicar posteriormente tiene una serie de limitaciones para su aplicacin en nuestra turbina. - Rotor a sotaventoEn esta configuracin el rotor o hlice se encuentra aguas debajo de la torre, detrs de sta respecto a la direccin del viento.Este sistema posee la fundamental ventaja de no requerir dispositivo de orientacin alguno, siempre y cuando se disee adecuadamente el rotor y la gndola de tal modo que haga que la misma "siga" de forma pasiva a la direccin del viento. Sin embargo esta manera de orientar a la hlice se ve obstaculizada por la forma en que se puede transmitir la corriente saliente desde el generador ya que una vinculacin directa por medio de cables necesita un control activo del enroscado de los mismos (si la gndola ha girado repetidamente en el mismo sentido por un largo perodo de tiempo) y una por medio de anillos rozantes debe ser muy bien estudiada dadas las elevadas intensidades de carga que sern transmitidas. Una importante ventaja adicional de un rotor a sotavento es la posibilidad de emplear materiales para las palas mas flexibles, siempre y cuando se tenga en cuenta la flecha mxima admisible. Esta importancia se debe en primer lugar a la disminucin del peso que implica una pala menos rgida y en segundo lugar a que de este modo se alivian las cargas dinmicas sobre todo el sistema debido que a altas velocidades de viento, por ejemplo durante rfagas, las palas pueden empezar a curvarse (flexin en flap) aliviando en parte a la torre y a toda la estructura de soporte.La desventaja bsica es la fluctuacin de la potencia del viento al pasar el rotor por la sombra de la torre. Esto trae aparejado mayores cargas de fatiga sobre la misma turbina que un sistema a barlovento. Numero de palas

El concepto tripala dansLa mayora de aerogeneradores modernos tienen diseos tripala, con el rotor mantenido en la posicin corriente arriba (en la cara de la torre que da al viento), usando motores elctricos en sus mecanismo de orientacin. A este diseo se le suele llamar el clsico "concepto dans", y tiende a imponerse como estndar al resto de conceptos evaluados. La gran mayora de las turbinas vendidas en los mercados mundiales poseen este diseo. El concepto bsico fue introducido por primera vez por el clebre aerogenerador de Gedser.Otra de las caractersticas es el uso de un generador asncrono. Concepto bipala (oscilante/basculante) Los diseos bipala de aerogeneradores tienen la ventaja de ahorrar el coste de una pala y, por su puesto, 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 energa de salida. Esto supone una desventaja tanto en lo que respecta al ruido como al aspecto visual. ltimamente, varios fabricantes tradicionales de mquinas bipala han cambiado a diseos tripala. Las mquinas bi y monopala requieren de un diseo ms complejo, con un rotor basculante (buje oscilante), como el que se muestra en el dibujo, es decir, el rotor tiene que ser capaz de inclinarse, con el fin de evitar fuertes sacudidas en la turbina cada vez que una de las palas pasa por la torre. As pues el rotor est montado en el extremo de un eje perpendicular al eje principal, y que gira junto con el eje principal. Esta disposicin puede necesitar de amortiguadores adicionales que eviten que las palas del rotor choquen contra la torre. Concepto monopala

S, los aerogeneradores monopala existen y, de hecho, ahorran el coste de otra pala! Si algo puede ser construido, los ingenieros lo harn. Sin embargo, los aerogeneradores monopala no estn muy extendidos comercialmente, pues los inconvenientes de los bipala tambin son aplicables, e incluso en mayor medida, a las mquinasmonopala.Adems de una mayor velocidad de giro, y de los problemas de ruido y de intrusin visual, necesitan un contrapeso en el lado del buje opuesto a la pala que equilibre el rotor. Obviamente, esto anula el ahorro de peso comparado con un diseo bipala.

3.3. Mtodos de regulacin de potencia

Control de potencia en aerogeneradoresLos aerogeneradores estn diseados para producir energa elctrica de la forma ms barata posible. As pues, estn generalmente diseados para rendir al mximo a velocidades alrededor de 15 m/s. Es mejor no disear aerogeneradores que maximicen su rendimiento a vientos ms fuertes, ya que los vientos tan fuertes no son comunes.En el caso de vientos ms fuertes es necesario gastar parte del exceso de la energa del viento para evitar daos en el aerogenerador. En consecuencia, todos los aerogeneradores estn diseados con algn tipo de control de potencia. Hay dos formas de hacerlo con seguridad en los modernos aerogeneradores.Aerogeneradores de regulacin por cambio del ngulo de paso ("pitch controlled")Dibujo de una turbina variando el ngulo de paso En un aerogenerador de regulacin por cambio del ngulo de paso, el controlador electrnico de la turbina comprueba varias veces por segundo la potencia generada. Cuando sta alcanza un valor demasiado alto, el controlador enva una orden al mecanismo de cambio del ngulo de paso, que inmediatamente hace girar las palas del rotor ligeramente fuera del viento. Y a la inversa, las palas son vueltas hacia el viento cuando ste disminuye de nuevo.As pues, las palas del rotor deben ser capaces de girar alrededor de su eje longitudinal (variar el ngulo de paso), tal y como se muestra en el dibujo.Observe que el dibujo est exagerado: durante la operacin normal, las palas girarn una fraccin de grado cada vez (y el rotor estar girando al mismo tiempo).El diseo de aerogeneradores controlados por cambio del ngulo de paso requiere una ingeniera muy desarrollada, para asegurar que las palas giren exactamente el ngulo deseado. En este tipo de aerogeneradores, el ordenador generalmente girar las palas unos pocos grados cada vez que el viento cambie, para mantener un ngulo ptimo que proporcione el mximo rendimiento a todas las velocidades de viento.El mecanismo de cambio del ngulo de paso suele funcionar de forma hidrulica.

Los aerogeneradores de regulacin (pasiva) por prdida aerodinmica tienen las palas del rotor unidas al buje en un ngulo fijo.Sin embargo, el perfil de la pala ha sido aerodinmicamente diseado para asegurar que, en el momento en que la velocidad del viento sea demasiado alta, se crear turbulencia en la parte de la pala que no da al viento, tal y como se muestra en el dibujo de la pgina anterior. Esta prdida de sustentacin evita que la fuerza ascensional de la pala acte sobre el rotor.Si ha ledo la seccin sobre aerodinmica y aerodinmica y prdida de sustentacin , se dar cuenta de que conforme aumenta la velocidad real del viento en la zona, el ngulo de ataque de la pala del rotor tambin aumentar, hasta llegar al punto de empezar a perder sustentacin.Si mira con atencin la pala del rotor de un aerogenerador regulado por prdida aerodinmica observar que la pala est ligeramente torsionada a lo largo de su eje longitudinal. Esto es as en parte para asegurar que la pala pierde la sustentacin de forma gradual, en lugar de hacerlo bruscamente, cuando la velocidad del viento alcanza su valor crtico (otras de las razones para torsionar la pala han sido mencionadas en la seccin previa sobre aerodinmica).La principal ventaja de la regulacin por prdida aerodinmica es que se evitan las partes mviles del rotor y un complejo sistema de control. Por otro lado, la regulacin por prdida aerodinmica representa un problema de diseo aerodinmico muy complejo, y comporta retos en el diseo de la dinmica estructural de toda la turbina, para evitar las vibraciones provocadas por la prdida de sustentacin. Alrededor de las dos terceras partes de los aerogeneradores que actualmente se estn instalando en todo el mundo son mquinas de regulacin por prdida aerodinmica.Aerogeneradores de regulacin activa por prdida aerodinmicaUn nmero creciente de grandes aerogeneradores (a partir de 1 MW) estn siendo desarrollados con un mecanismo de regulacin activa por prdida aerodinmica.Tcnicamente, las mquinas de regulacin activa por prdida aerodinmica se parecen a las de regulacin por cambio del ngulo de paso, en el sentido de que ambos tienen palas que pueden girar. Para tener un momento de torsin (fuerza de giro) razonablemente alto a bajas velocidades del viento, este tipo de mquinas sern normalmente programadas para girar sus palas como las de regulacin por cambio del ngulo de paso a bajas velocidades del viento (a menudo slo utilizan unos pocos pasos fijos, dependiendo de la velocidad del viento).Sin embargo, cuando la mquina alcanza su potencia nominal , observar que este tipo de mquinas presentan una gran diferencia respecto a las mquinas reguladas por cambio del ngulo de paso: si el generador va a sobrecargarse, la mquina girar las palas en la direccin contraria a la que lo hara una mquina de regulacin por cambio del ngulo de paso. En otras palabras, aumentar el ngulo de paso de las palas para llevarlas hasta una posicin de mayor prdida de sustentacin, y poder as consumir el exceso de energa del viento.Una de las ventajas de la regulacin activa por prdida aerodinmica es que la produccin de potencia puede ser controlada de forma ms exacta que con la regulacin pasiva, con el fin de evitar que al principio de una rfaga de viento la potencia nominal sea sobrepasada. Otra de las ventajas es que la mquina puede funcionar casi exactamente a la potencia nominal a todas las velocidades de viento. Un aerogenerador normal de regulacin pasiva por prdida aerodinmica tendr generalmente una cada en la produccin de potencia elctrica a altas velocidades de viento, dado que las palas alcanzan una mayor prdida de sustentacin.El mecanismo de cambio del ngulo de paso suele operarse mediante sistemas hidrulicos o motores elctricos paso a paso.La eleccin de la regulacin por cambio de paso es sobre todo una cuestin econmica, de considerar si vale o no la pena pagar por la mayor complejidad de la mquina que supone el aadir el mecanismo de cambio de paso de la pala.Otros mtodos de control de potenciaAlgunos aerogeneradores modernos usan alerones (flaps) para controlar la potencia del rotor, al igual que los aviones usan aletas para modificar la geometra de las alas y obtener as una sustentacin adicional en el momento del despegue.Otra posibilidad terica es que el rotor oscile lateralmente fuera del viento (alrededor de un eje vertical) para disminuir la potencia. En la prctica, esta tcnica de regulacin por desalineacin del rotor slo se usa en aerogeneradores muy pequeos (de menos de 1 kW), pues somete al rotor a fuerzas que varan cclicamente y que a la larga pueden daar toda la estructura.

3.4. Materiales de palaLas palas del aerogenerador son unas de las partes ms importantes por no decir la ms importante ya que son las encargadas de recoger la energa del viento, convertir el movimiento lineal de este en un movimiento de rotacin, esta energa es transmitida al buje, del buje pasa a un sistema de transmisin mecnica y de ah al generador que transforma el movimiento de rotacin en energa elctrica. El diseo de las palas es muy parecido al del ala de un avin, como se puede ver en la figura.

FABRICACION DE LAS PALAS.

El proceso de fabricacin de las palas es laborioso principalmente por los tamaos con los que se trabaja como se puede ver en la figura .

Las palas generalmente estn construidas de la siguiente manera: una estructura central resistente ms dos cubiertas exteriores que forman el perfil aerodinmico, de forma alabeada y anchura decreciente hacia la punta en direccin axial.

Los requisitos que debe cumplir la pala para que todo este correcto son: 1) Tener una resistencia estructural adecuada a las condiciones de trabajo a las que va a ser sometida. 2) Resistencia a fatiga (en particular a tensiones alternas debidas a vibraciones). 3) Rigidez. 4) Peso bajo. 5) Facilidad de fabricacin. 6) Resistencia a agentes medioambientales (erosin, corrosin) han ido incrementndose en los ltimos 20 aos. Los materiales ms empleados son: 1) Aleaciones de acero y de aluminio, que tienen problemas de peso y de fatiga del metal, respectivamente, son actualmente usadas slo en aerogeneradores muy pequeos. 2) Fibra de vidrio reforzada con resina polister, para la mayora de las modernas palas de rotor de grandes aerogeneradores (dificultad de localizar el c.d.g). 3) Fibra de vidrio reforzada con resina epoxy ("GRP"), en forma de lminas preimpregnadas. Palas ms ligeras, mayor flexibilidad, menor deformacin bajo temperaturas extremas, excelente resistencia a la absorcin de agua. 4) Fibra de carbono o aramidas (Kevlar 29 o Kevlar 49) como material de refuerzo en tiras por sus buenas propiedades mecnicas .Alta resistencia especfica, palas muy ligeras. Normalmente estas palas son antieconmicas para grandes aerogeneradores. 5) Mixtos fibra de vidrio-fibra de carbono. 6) Materiales compuestos (composites) de madera, madera-epoxy, o madera-fibra-epoxy, an no han penetrado en el mercado de las palas de rotor, aunque existe un desarrollo continuado en ese rea. 3.5. Sistema soporte del rotor.Rotor montado directamente en el multiplicadorLas cargas son transmitidas directamente a travs del eje de baja del multiplicador al soporte de dicho sistema. Su gran ventaja consiste en constituir una estructura compacta que permite construir una gndola ms pequea, con menos componentes y por lo tanto ms barata. En su contra cabria citar el hecho de la necesidad de un cuidadoso diseo de la multiplicadora para evitar que las cargas externas no varen la relacin de multiplicacin adecuada. Rotor montado en el eje de baja apoyando este en varios rodamientosLos rodamientos presentan buen comportamiento tanto frente a cargas radiales como axiales, no transmitindose cargas externas al multiplicador. En cambio tiene muy bajas tolerancias de fabricacin y deber utilizarse maquinaria de gran precisin para fabricar los soportes. Las ventajas son una combinacin de alta versatilidad y capacidad radial, las cargas externas no son transmitidas a el multiplicador. Las desventajas son que el rotor ha de ser cambiado para que sirva.Rotor montado en el eje de baja apoyado en rodamientos esfricosLos ejes se autoalinean reduciendo los efectos de los errores de desalineacin. El rotor y el multiplicador deben de ser completamente bloqueados para el mantenimiento de los rodamientos.

3.6. Diseo dl multiplicadorLa potencia de la rotacin del rotor de la turbina elica es transferida al generador a travs del tren de potencia, es decir, a travs del eje principal, el multiplicador y el eje de alta velocidad, Pero, por qu utilizar un multiplicador? No podramos hacer funcionar el generador directamente con la energa del eje principal? Si ussemos un generador ordinario, directamente conectado a una red trifsica de CA (corriente alterna) a 50 Hz, con dos, cuatro o seis polos, deberamos tener una turbina de velocidad extremadamente alta, de entre 1000 y 3000 revoluciones por minuto (r.p.m.), como podemos ver en la pgina sobre cambio de la velocidad de giro del generador. Con un rotor de 43 metros de dimetro, esto implicara una velocidad en el extremo del rotor de bastante ms de dos veces la velocidad del sonido, as es que deberamos abandonar esta opcin. Otra posibilidad es construir un generador de CA lento con muchos polos. Pero si quisiera conectar el generador directamente a la red, acabara con un generador de 200 polos (es decir, 300 imanes) para conseguir una velocidad de rotacin razonable de 30 r.p.m. Otro problema es que la masa del rotor del generador tiene que ser aproximadamente proporcional a la cantidad de par torsor (momento, o fuerza de giro) que tiene que manejar. As que, en cualquier caso, un generador accionado directamente ser muy pesado (y caro). Generalmente se utilizan dos tipos de cajas multiplicadoras en aerogeneradores: de ejes paralelos o planetarios. La gran diferencia entre las velocidades de giro del rotor de la turbina y el rotor del generador elctrico, implica que estn sometidos a elevados momentos torsores a la entrada, y adems deben proporcionar altas relaciones de multiplicacin

Potencia en Rotacin = Mentr. wentr Msal. wsal Mentr: momento del par aplicado a la entrada de la caja multiplicadora y proporcionado por el rotor. Msal: momento del par aplicado a la salida de la caja multiplicadora y suministrado al generador elctrico.wentr: velocidad angular de giro del rotor. wsal: Velocidad angular de giro del generador elctrico. Tambin hay una gran diferencia en el par y la relacin de multiplicacin entre mquinas pequeas y mquinas grandes. Un aerogenerador de 3 MW comparndolo con uno de 60 KW requiere una relacin de multiplicacin doble y un momento torsor a la entrada cien veces mayor. Hasta un intervalo en torno a los 500 KW. hay pocas diferencias entre el coste de una multiplicadora de ejes paralelos y una planetaria. Los planetarios son de menor tamao pero son ms difciles de inspeccionar y mantener. A partir de los 500 KW. el peso y el tamao menor hacen aventajar a los planetarios.3.7. Sistemas de orientacinSistemas autoorientables Molino de colaSu uso est restringido a pequeas mquinas. Trabajan bastante bien aunque presentan bastantes fallos (figura1 y 2.

Figura 1 ---------------------- Figura 2Veleta de colaTambin para pequeos aerogeneradores (figura ). Orientacin asistidaUtilizan estos sistemas un motor para accionar un engranaje que encaja en otro situado en la ltima seccin de la torre. Se requiere por lo tanto la presencia de un sensor que detecte la direccin del viento incidente relativo al rotor.

3.8. Generador elctricoEn aerogeneradores conectados a la red se utilizan generadores sncronos y de induccin. Generador sncronoSus mayores ventajas son la buena calidad de la potencia suministrada y el hecho de estar autoexcitado. Por contra los sistemas de control necesarios son ms caros, requieren amortiguacin y flexibilidad adicional en el tren de Potencia y adems se requiere la instalacin de un sistema de control de velocidad del rotor para la buena sincronizacin. Sobre este tipo de generador se podr ver en siguientes apartado como son los generadores de corriente alterna sncrono Generador asncronoSus ventajas son un sistema de control sencillo, flexibilidad y amortiguacin inherentes al generador. No es necesario un sistema de control de velocidad para arranques. Como inconveniente presenta la necesidad de excitacin a travs de la red, la necesidad de utilizar condensadores para corregir el factor de potencia elctrico y el hecho de provocar perturbaciones en la red elctrica. La mayora de los aerogeneradores utilizan generadores de induccin. Son baratos y robustos reduciendo el coste del aerogenerador. Los generadores sncronos se utilizan cuando se requiera una elevada calidad en la potencia suministrada. Este tipo de generador se podr ver en el tema de los generadores de corriente alterna asncrono3.9. Tipos de torreSe utilizan dos tipos de torres: tubular y de celosa.Torres de celosaLas torres de celosa son fabricadas utilizando perfiles de acero soldados. La ventaja bsica de las torres de celosa es su coste, puesto que una torre de celosa requiere slo la mitad de material que una torre tubular sin sustentacin adicional con la misma rigidez. La principal desventaja de este tipo de torres es su apariencia visual (aunque esa cuestin es claramente debatible). En cualquier caso, por razones estticas, las torres de celosa han desaparecido prcticamente en los grandes aerogeneradores modernos

Torres tubularesLa mayora de los grandes aerogeneradores se entregan con torres tubulares de acero, fabricadas en secciones de 20-30 metros con bridas en cada uno de los extremos, y son unidas con pernos "in situ". Las torres son tronco-cnicas (es decir, con un dimetro creciente hacia la base), con el fin de aumentar su resistencia y al mismo tiempo ahorrar material. Torres de mstil tensado con vientos Muchos de los aerogeneradores pequeos estn construidos con delgadas torres de mstil sostenidas por cables tensores. La ventaja es el ahorro de peso y, por lo tanto, de coste. Las desventajas son el difcil acceso a las zonas alrededor de la torre, lo que las hace menos apropiadas para zonas agrcolas. Finalmente, este tipo de torres es ms propensa a sufrir actos vandlicos, lo que compromete la seguridad del conjunto.

UNIDAD 4 SISTEMAS DE CONEXIN DE AEROGENERADORES A LA RED

4.1 generadores de velocidad constanteEn los aerogeneradores de velocidad constante, pala fija y regulacin por stall, equipados con generador

Velocidad constante.- En estas mquinas la variacin de la velocidad es menor del 2%; para conseguir un mayor aprovechamiento del viento, la configuracin ms utilizada es la de un motor asncrono directamente conectado a la red elctrica; una variante muy extendida es la de emplear un generador asncrono con dos devanados, uno de 6 polos para velocidades del viento bajas y otro de 4 polos para velocidades del viento mayores.

Velocidad prcticamente constante.- En estas mquinas la variacin de la velocidad es menor del 10% son generadores asncronos con resistencia en el rotor En las mquinas de velocidad fija, el generador esdirectamente acoplado a la red principal de suministro, siendola frecuencia de esta ltima, la que determina la velocidadrotacional del generador y as, la del rotor [4].Por su parte, la baja velocidad de rotacin del rotor de laturbina, es trasladada a la velocidad rotacional del generadorpor una caja convertidora de velocidad, con una relacin detransmisin dada. La velocidad del generador depende tantodel nmero de pares de polos como de la frecuencia elctricade la red [1], [2], [4].La mayora de los sistemas existentes pueden serclasificados en la siguiente forma [4] (Ver Fig. 1):1. Turbinas de viento con velocidad rotacional fijadirectamente acoplados a la red.a. Turbinas de viento con generador asincrnico.b. Turbinas de viento con generador sincrnico.2. Turbinas de viento con velocidad rotacional parcial ototalmente variable.a. Generador sincrnico o asincrnico con convertidoren el circuito principal de potencia.b. Generador asincrnico con control de deslizamiento.c. Generador asincrnico con convertidores en cascadasobre un sub-sincrnico.En la actualidad, tres tipos de turbinas de viento son las queestn principalmente en el mercado [1]. Siendo la diferenciafundamental entre los tres conceptos, el sistema de generaciny la va en la cual la eficiencia aerodinmica del rotor eslimitada durante vientos de alta velocidad [4], [5].De tal modo, que casi todas las turbinas de viento instaladasen el presente, corresponden a uno de los siguientes sistemas4.2 generadores funcionando a velocidad variableVelocidad variable.- Son las mquinas con mayor presencia en el mercado; son generadores asncronosDoblemente alimentados y generadores sncronos conectados a la red mediante un enlace de continua; en ambos casos las variaciones de velocidad obtenidas son similares.En la segunda opcin se encuentran los sistemas de transmisin directa que utilizan un generadorSncrono mltipolos sin caja multiplicadora.

El estator est acoplado directamente a la red a travs de un transformador; el rango de variacin de la velocidad del generador es en uno de cuatro polos, desde 14001750 rpm. La caja multiplicadoraCon el uso de convertidores (ya sean pequeos convertidores que controlan la corriente de excitacin, como convertidores para toda la potencia del generador) se pueden controlar las corrientes de las dos partes del convertidor, el lado del rotor (rectificador) y el lado de la red (inversor), controlando la energa activa y reactiva descargadas en la red, mejorando la interaccin con la red respecto a las condiciones de rgimen permanente, la calidad de suministro y la estabilidad de tensin y fase.Al controlar la corriente de la parte de la red Id se obtiene el control de la potencia reactiva por medio de la corriente directa del estator, ligada al flujo del estator.

4.2.1 generadores sncronos

El generador sncrono es un tipo de mquina elctrica rotativa capaz de transformar energa mecnica (en forma de rotacin) en energa elctrica. Su principio de funcionamiento consiste en la excitacin de flujo en el rotor.El generador sncrono est compuesto principalmente de una parte mvil o rotor y de una parte fija o estator.El rotor gira recibiendo un empuje externo desde (normalmente) una turbina. Este rotor tiene acoplada una fuente de "corriente continua" de excitacin independiente variable que genera un flujo constante, pero que al estar acoplado al rotor, crea un campo magntico giratorio (por el teorema de Ferraris) que genera un sistema trifsico de fuerzas electromotrices en los devanados estatricos.RotorTambin conocido como inductor, pues es la parte que induce el voltaje en el estator. El ncleo del rotor es construido de lmina troquelada de acero al cilicio , material de excelentes caractersticas magnticas, con la finalidad de evitar prdidas por histresis y corrientes parasitas.El yugo es una pieza continua con zapata polar, para as eliminar la dispersin del flujo por falsos contactos magnticos. En la zapata polar se hacen barrenos para alojar el devanado amortiguador en jaula de ardilla, diseado con el objeto de reducir armnicas en la forma de onda que entrega el generador.El rotor gira concntricamente en el eje del generador a una velocidad sincrnica de 1500 revoluciones por minuto (RPM) para 50 Hz (1800 RPM para 60 Hz).Tipos constructivosLa principal diferencia entre los diferentes tipos de generadores sncronos, se encuentra en su sistema de alimentacin en continua para la fuente de excitacin situada en el rotor. Excitacin Independiente: excitatriz independiente de corriente continua que alimenta el rotor a travs de un juego de anillos rozantes y escobillas. Excitatriz principal y excitatriz piloto: la mquina principal de continua tiene como bobinado de campo otra mquina de excitacin independiente, accionada por el mismo eje. Electrnica de potencia: directamente, desde la salida trifsica del generador, se rectifica la seal mediante un rectificador controlado, y desde el mismo se alimenta directamente en continua el rotor mediante un juego de contactores (anillos y escobillas). El arranque se efecta utilizando una fuente auxiliar (batera) hasta conseguir arrancar. Sin escobillas, o diodos giratorios: la fuente de continua es un rectificador no controlado situado en el mismo rotor (dentro del mismo) alimentado en alterna por un generador situado tambin en el mismo eje y cuyo bobinado de campo es excitado desde un rectificador controlado que rectifica la seal generada por el giro de unos imanes permanentes situados en el mismo rotor (que constituyen la excitatriz piloto de alterna). Excitacin esttica o por transformador de compoundaje, consiste en que el devanado de campo del rotor es alimentado desde una fuente de alimentacin a transformador y rectificadores que toma la tensin y corriente de salida del estator. El transformador, de tipo especial, posee dos devanados primarios, llamados de tensin e intensidad, que se conectan en paralelo y en serie a los bornes de salida del estator. El transformador convierte la tensin de salida a una ms baja (30V aprox), que se rectifica y aplica al rotor por medio de escobillas y anillos deslizantes. Es un sistema con autorregulacin intrinseca, ya que al tener el bobinado serie, al aumentar el consumo sobre el generad