9. DESCRIPCIÓN DE LAS TURBINAS EÓLICAS

Transcripción

1 9. DESCRIPCIÓN DE LAS TURBINAS EÓLICAS 9.1 COMPONENTES DE LA TURBINA EÓLICA L NOCIONES GENERALES DE ENERGÍA EÓLICA a NACELLE o BARQUILLA contiene los componentes más importantes de la turbina eólica, incluso la caja de engranajes, y el generador eléctrico. El personal de servicio puede entrar en la nacelle desde la torre de la turbina. A la izquierda de la nacelle tenemos el rotor de la turbina eólica, ejemplo: las palas del rotor y el cubo. FIGURA 9.1 A. Las palas del rotor capturan el viento y transfieren su poder al cubo del rotor. En una moderna turbina eólica de 600kW cada pala del rotor mide aproximadamente 20 metros (66 ft.) de longitud y se diseña mucho como una ala de un aeroplano. B. El cubo del rotor está adjunto al eje de baja velocidad de la turbina eólica. C. El eje de baja velocidad de la turbina eólica conecta el cubo del rotor a la caja de engranajes. En una moderna turbina eólica de 600kW el rotor rueda relativamente despacio, sobre 19 a 30 revoluciones por minuto (RPM). El eje contiene tubos para el sistema hidráulico permitiendo operar a los frenos aerodinámicos. D. La caja de engranajes tiene el eje baja velocidad a la izquierda. Esto hace que el eje de alta velocidad gire aproximadamente 50 veces más rápidamente que el eje de velocidad baja. CAPÍTULO 9:DESCRIPCIÓN DE LAS TURBINAS EÓLICAS 121

2 E. El eje de alta velocidad gira aproximadamente con revoluciones por minuto (RPM) y maneja el generador eléctrico. Está provisto con un freno a disco de emergencia. El freno mecánico se usa en caso del fallo del freno aerodinámico, o cuando la turbina está reparándose. F. El generador eléctrico es normalmente un generador llamado de instalación o asincrónico. En una turbina eólica moderna la máxima potencia eléctrica normalmente está entre 500 y 1,500 kilovatios (kw). G. El controlador electrónico contiene una computadora que continuamente supervisa la condición de la turbina eólica y controla el mecanismo de orientación. En caso de cualquier funcionamiento defectuoso, (ejemplo recalentamiento de la caja de engranajes o el generador), detiene la turbina y llama automáticamente a la computadora del operador de la turbina vía un nexo de módem de teléfono. H. El sistema hidráulico se usa para recalibrar los frenos aerodinámicos de la turbina eólica. I. La unidad de enfriamiento contiene un ventilador eléctrico que se usa para refrescar el generador eléctrico. Además, contiene una unidad de aceite refrescante que es usada para enfriar el aceite en la caja de engranajes. Algunas turbinas tienen generadores de agua fría. J. La torre de la turbina eólica lleva la nacelle y el rotor. Generalmente, es una ventaja tener una torre alta, debido a que las velocidades de viento van aumentando cuanto más lejos del terreno se esté. Una típica moderna turbina de 600kW tendrá una torre de 40 a 60 metros (132 a 198 ft.). Las torres pueden ser o torres tubulares (como en el cuadro) o torres reticuladas. Las torres tubulares son más seguras para el personal que tiene que mantener las turbinas, mientras ellos pueden acostumbrarse a usar la escalera interior para conseguir llegar a la cima de la turbina. La ventaja de las torres reticuladas es principalmente que son más baratas. K. El mecanismo de orientación usa motores eléctricos para volver la nacelle con el rotor contra el viento. Este mecanismo es operado por el controlador electrónico que siente la dirección de viento que usa la veleta. Normalmente, la turbina orientará sólo unos pocos grados a la vez, cuando el viento cambia su dirección. L. El anemómetro y la veleta de viento se usan para medir la velocidad y dirección del viento. Las señales electrónicas del anemómetro son usadas por el controlador electrónico de la CAPÍTULO 9:DESCRIPCIÓN DE LAS TURBINAS EÓLICAS 122

3 turbina para comenzar la turbina eólica cuando la velocidad del viento alcanza aproximadamente 5 metros por segundo (10 nudos). Las computadoras paran automáticamente a la turbina eólica si la velocidad del viento excede 25 metros por segundo (50 nudos) para proteger la turbina y sus alrededores. Las señales de la veleta de viento son usadas por el controlador electrónico de la turbina eólica para volver la turbina contra el viento, usando el mecanismo de orientación. 9.2 NÚMERO DE PALAS DEL ROTOR L as turbinas eólicas pueden tener diferentes números de palas del rotor. La regla del principio es: el más bajo número de palas produce los giros más rápidos del rotor. La medida para esto es llamada velocidad de punta de pala 8, que se define como la velocidad de punta del rotor dividido por la velocidad del viento. Si 8 = 1, la velocidad de punta de la pala es tan alta como la velocidad del viento. Hoy se diseñan turbinas eólicas para la generación de electricidad, que significa que sus rotores manejen generadores eléctricos con velocidades rotatorias normalmente altas. Los rotores de las turbinas eólicas deben tener velocidades rotatorias, por consiguiente, tan alto como posible reducir las masas de las cajas de transmisión y generadores. Por consiguiente el número de palas del rotor es bajo y en general no más de tres. Sólo los rotores multipalas conocidos como los molinos de viento tipo oeste están usando 12 a 20 palas o más aún. Pero ellos se aplican directamente para manejar los pistones de la bomba de agua con su torque mecánico alto. Los rotores multipalas tienen diseñados para la velocidad de punta de pala de más de 1.5, rotores tripalas normalmente en el orden de 6 a 8, rotores bipalas de 10 a 12 y rotores monopalas sobre estos valores. Como la Fig. 1 muestra, la mayoría de las actuales turbinas eólicas tienen velocidades de punta de pala de menos de 65 m/s. En los viejos prototipos de las grandes turbinas eólicas los diseñadores intentaron aumentar cada vez más la velocidad de punta de pala porque el torque del eje se reduce con el aumento de la velocidad rotatoria, una ventaja concerniente que la masa de la maquinaria necesitó tomar las cargas operacionales. Pero para las turbinas eólicas comerciales las velocidades de punta de pala altas tienen la desventaja de altas emisiones de ruido del rotor. En principio el nivel de poder de ruido del rotor aumenta con el sexto poder de la velocidad de punta de pala, la razón por qué los diseñadores de turbinas eólicas comerciales no excedieron los 70 m/s. CAPÍTULO 9:DESCRIPCIÓN DE LAS TURBINAS EÓLICAS 123

4 1. Turbinas Eólicas Tripalas Modernas turbinas eólicas con rotores tripalas son los más comunes en todo el mundo. La razón principal para usar tres palas es el momento de inercia constante del rotor para todo el ángulo circunferencial del azimut respecto a los movimientos operacionales alrededor del eje longitudinal de la torre. Todos los rotores con tres o más palas tienen esta propiedad favorable, los rotores con menos palas no la tienen. Una turbina eólica con rotor de tres palas no tiene ningún momento de inercia cuando gira, por consiguiente no induce carga a la estructura de la turbina, una ventaja considerable porque no necesita componentes adicionales costosos. La velocidad de punta de la pala con 70 m/s es relativamente bajo, lo cual es una ventaja importante acerca del ruido. Diferente a las turbinas eólicas bipalas y monopalas, la opinión de muchas personas coincide con la rotación suave de las turbinas tripala, un aspecto positivo para la aceptación pública de la energía eólica. 2. Turbinas Eólicas Bipalas Ya hace varias décadas las turbinas eólicas bipalas eran uno de los conceptos del rotor alternativos. Se diseñaron varias turbinas eólicas con un tamaño de 10 a 100 m de diámetro del rotor y se pusieron en funcionamiento en Europa y los Estados Unidos. Sólo algunos de ellos realmente alcanzaron el estado de producción en serie, sobre todo la gran turbina nunca dejó el estado de prototipo. Una pala del rotor menos de la normal turbina eólica tripala ofreció la oportunidad de reducir el costo para el rotor, pero desgraciadamente los funcionamientos dinámicos del rotor bipala causaron esfuerzos técnicos adicionales que aumentaron nuevamente el costo global. Diferente al rotor tripala, una turbina bipala tiene para los movimientos de la nacelle cuando esta gira, una inercia en contra al respecto del eje longitudinal de la torre. Esto causa cargas adicionales que sólo pueden ser reducidas por un balanceo del centro. Esta unión a la mitad del cardan es perpendicular al eje del rotor y al eje longitudinal de las dos palas del rotor. La razón principal para el balanceo del centro es sacar las grandes fluctuaciones del momento de inercia desfavorables al girar el rotor. Hoy el rotor bipala sólo está presente en algunas unidades CAPÍTULO 9:DESCRIPCIÓN DE LAS TURBINAS EÓLICAS 124

5 y por el momento no puede notarse ninguna tendencia creciente del mercado. El balanceo del centro es costoso y en la punta de pala las velocidades deben ser más altas comparables con los rotores tripalas, una desventaja con respecto al nivel de potencia de ruido de la turbina eólica. 3. Turbinas Eólicas Monopalas La razón para una turbina eólica monopala es disminuir con una alta velocidad rotatoria el número de palas del rotor, la tendencia de rotación del y por este las masas de la maquinaria. Adicionalmente la pala del rotor puede fijarse al centro por una sola bisagra que permite un fuera de movimientos planos de la pala, movimientos que reducen las cargas estructurales en la misma. Por otro lado, un rotor monopala tiene principalmente un desequilibrio aerodinámico, que introduce movimientos adicionales, causa cargas y construcciones complicadas en el centro,(bisagras, apagadores, etc.) para tener los movimientos bajo control. Tres turbinas eólicas de ese tipo, diseñadas por MBB, cada una con un potencial instalado de 630 kw y un diámetro del rotor de 56 m están en funcionamiento cerca de Wilhelmshaven. La desventaja principal para su uso comercial es el nivel del ruido aerodinámico relativamente alto del rotor causado por una velocidad del tip de aproximadamente 120 m/s. Comparado a los rotores tripalas esta velocidad de punta es dos veces más alto, eso significa que la turbina eólica monopala es algunas veces más ruidosa que un tripala. Por lo menos en Alemania, con la alta densidad de población, estas turbinas ruidosas no tienen ninguna oportunidad de mercado. Muchas personas también se quejan que la sola pala rodando perturba la impresión visual en el paisaje. Algunas comunidades en Alemania no permiten la erección por consiguiente de rotores monopalas. 9.3 CONTROL DE POTENCIA D ebido a las fuerzas aerodinámicas en las palas del rotor, una turbina eólica convierte la energía cinética de flujo del viento en energía mecánica rotatoria. Estas tendencias de las fuerzas aerodinámicas se generan a lo largo de las palas del rotor que necesitan perfiles especialmente formados que son muy similares a aquéllos usados para las alas de los aeroplanos. Con el aumento en la velocidad del flujo de aire, las fuerzas de alzamiento aerodinámicas crecen con la segunda potencia y la energía extraída de la turbina con la tercer potencia de la velocidad del viento, una situación que necesita una muy eficaz y rápida acción del control de potencia del rotor CAPÍTULO 9:DESCRIPCIÓN DE LAS TURBINAS EÓLICAS 125

6 para evitar sobrecargar mecánica y eléctricamente al sistema de transmisión de energía de la turbina eólica. Las modernas turbinas eólicas usan dos principios de control aerodinámicos diferentes para limitar la potencia extraída a la potencia nominal del generador. El más pasivo es el llamado "stall control, el activo "pitch control". En el pasado, la mayoría de los sistemas pequeños y medianos del generador de las turbinas eólicas usaban el stall control simple, pero hoy día, con el tamaño creciente del aerogenerador los fabricantes prefieren, cada vez más, un sistema de pitch control que ofrece más posibilidades de influir en el funcionamiento de la turbina eólica. A. PITCH CONTROL E l Pitch Control es un sistema de mando activo, que normalmente necesita una señal de la entrada de la potencia del generador. Siempre cuando la potencia estimada del generador se supera debido a velocidades de viento crecientes las palas del rotor serán torcidas a lo largo de su eje longitudinal, o en otras palabras, cambia su ángulo pitch para reducir el ángulo de ataque del flujo de aire entrante. Este ángulo de reducción del ataque disminuye las tendencias de las fuerzas aerodinámicas y en consecuencia la extracción de potencia de la turbina eólica. Para velocidades de viento más altas que la velocidad de viento nominal, que es el mínimo que necesita para generar a potencia nominal, el ángulo pitch es escogido de semejante manera que la turbina produce sólo potencia nominal. Bajo todas las condiciones del viento, el flujo alrededor de los perfiles de la pala del rotor es bien sujeta a la superficie (FIGURA 9.2), produciendo así alzamiento aerodinámico bajo muy pequeño arrastrando fuerzas. El Pitch control de las turbinas es más sofisticado que el stall control, porque ellos necesitan un pitch en el sistema cambiante. Por otro lado ellos tienen ciertas ventajas: permite el control de la potencia activa bajo todas las condiciones de viento, también una potencia parcial; ellos alcanzan valores de potencia incluso bajo condiciones de baja densidad del aire (altas elevaciones del sitio, temperaturas altas); la producción de energía más alta bajo las mismas condiciones (ninguna eficacia que reduce adaptación del stall de la pala); simple salida del rotor por cambio del pitch; ninguna necesidad de frenos fuertes para parar al rotor de emergencia; CAPÍTULO 9:DESCRIPCIÓN DE LAS TURBINAS EÓLICAS 126

7 disminución de las cargas de la pala del rotor con vientos crecientes por encima de la potencia nominal; posición de pluma de las palas del rotor para las cargas bajas con vientos extremos; inferior masa de las palas del rotor conduce a inferiores masas de la turbina eólica. En Alemania aproximadamente 50% de todas las turbinas eólicas instaladas ofrecen pitch control porque dos de los fabricantes más grandes prefieren este tipo de control de aerogeneradores. En la actual generación de turbinas de Megavatio cada vez más los fabricantes cambian a sistemas de pitch control. B. STALL CONTROL E FIGURA 9.2 FIGURA 9.3 l stall control es un sistema de control pasivo, que reacciona con la velocidad del viento. Las palas del rotor son fijas en su ángulo pitch, y no puede ser girado a lo largo de su eje longitudinal. Su ángulo pitch es en cierto modo escogido para cuando los vientos son más altos a la velocidad de viento nominal, entonces, el flujo de aire (vórtice) alrededor del perfil de la pala del rotor se separa de la superficie de la misma (stall) (FIGURA 9.3). Esto reduce las fuerzas impulsoras de elevación y aumenta la resistencia. La elevación más inferior y la resistencia giratoria más alta actúa contra un aumento adicional de la potencia del rotor. Para evitar que el stall ocurra al mismo tiempo en todas las posiciones radiales de las palas, una situación que drásticamente reduciría la potencia del rotor, las palas tienen una cierta torcedura longitudinal segura que conduce a un desarrollo del stall liso. Bajo condiciones de viento más alto que la velocidad de viento nominal, el flujo alrededor de los perfiles de la pala del rotor se separa por lo menos en parte de la superficie (FIGURA 9.3), produciendo así alzamiento más bajo y más alta la fuerza de resistencia. Turbinas controladas por stall son de más simplicidad que las turbinas eólicas controladas por pitch porque ellas no CAPÍTULO 9:DESCRIPCIÓN DE LAS TURBINAS EÓLICAS 127

8 necesitan un sistema cambiante de pitch. Comparadas con las turbinas eólicas controladas por pitch, ellas tienen en principio las ventajas siguientes: ningún sistema de pitch control; la estructura del cubo del rotor es simple; menos mantenimiento debido a menos partes de maquinaria móviles; la fiabilidad alta del control de potencia. Vista por el ancho mundo, el concepto stall control todavía domina. La mayoría de los fabricantes usan esta posibilidad de control de potencia simple, que siempre necesita una velocidad de rotor constante generalmente dada por un generador a inducción acoplado directamente a la red. Sólo en los últimos dos años una mezcla de stall y pitch control aparecía, llamado "stall activo". En ese caso el pitch de la pala del rotor es girado en dirección hacia el stall y no hacia la posición de pluma (alzamiento más bajo) cuando se hace en sistemas de pitch normales. Las ventajas de este sistema son: los cambios necesarios del ángulo pitch son muy pequeños; el control de potencia bajo las condiciones de potencia parciales (vientos bajos) posibles; la posición de pluma de palas del rotor para las cargas bajas a los vientos extremos. FIGURA 9.4 CAPÍTULO 9:DESCRIPCIÓN DE LAS TURBINAS EÓLICAS 128

9 9.4 CAJA DE ENGRANAJES PARA LAS TURBINAS EÓLICAS POR QUÉ USA UNA CAJA DE ENGRANAJES? S NOCIONES GENERALES DE ENERGÍA EÓLICA e transfiere la potencia de la rotación del rotor de la turbina eólica al generador a través del tren de potencia, es decir a través del eje principal, la caja de engranajes y el eje de velocidad alta. Pero por qué usa una caja de engranajes? No podríamos manejar nosotros simplemente directamente el generador con la potencia del eje principal? Si nosotros usáramos un generador ordinario, directamente conectado a 50 Hz de CA (corriente alterna) red trifásica con dos, cuatro, o seis polos, nosotros tendríamos que tener una turbina de velocidad sumamente alta entre 1000 y 3000 revoluciones por minuto (rpm). Con 43 metros de diámetro de rotor que implicaría una velocidad de la punta del rotor de mucho más que dos veces la velocidad de sonido, así que nosotros podríamos olvidarnos de él también. Otra posibilidad es construir un generador de CA movimientolento con muchos polos. Pero si usted quisiera conectar el generador directamente a la red, usted terminaría con un generador de 200 polos (es decir 600 imanes) para llegar a una velocidad rotatoria razonable de 30 rpm. Otro problema es, que la masa del rotor del generador tiene que ser aproximadamente proporcional a la cantidad de torque (momento, o fuerza giratoria) que tiene que manejar. Así que un generador directamente manejado será muy pesado (y caro) en todo caso MENOS TORQUE, MÁS VELOCIDAD L a solución práctica que se usa en la dirección opuesta en muchas maquinarias industriales, y en relación con los artefactos de los automóviles es usar una caja de engranajes. Con una caja de engranajes usted convierte entre rodamiento despacio, los torque altos impulsan que usted consigue del rotor de la turbina eólica - y la velocidad alta, los torque bajos impulsan que usted usa para el generador. La caja de engranajes en una turbina eólica no hace "cambio de engranajes." Normalmente tiene una sola proporción de engranaje entre la rotación del rotor y el generador. Para una máquina de 600 o 750 kw, la proporción del engranaje es típicamente aproximadamente 1 a 50. CAPÍTULO 9:DESCRIPCIÓN DE LAS TURBINAS EÓLICAS 129

10 9.5 GENERADORES DE LA TURBINA EÓLICA E NOCIONES GENERALES DE ENERGÍA EÓLICA l generador de la turbina eólica convierte la energía mecánica en energía eléctrica. Los generadores de la turbina son un pedazo raro, ordinariamente comparado a otras unidades generadoras conectadas a las redes eléctricas. Una razón es que el generador tiene que trabajar con una fuente de potencia (el rotor de la turbina eólica) que suministra el poder mecánico muy fluctuado (torque).(figura 9.5) FIGURA VOLTAJE DE GENERACION (tensión) E n turbinas eólicas grandes (sobre kw) el voltaje (tensión) generado por la turbina normalmente es 690 V corriente alterna trifásica CA). La corriente se envía, como consecuencia, a través de un transformador al lado de la turbina eólica (o dentro de la torre) levantando el voltaje en alguna parte entre 10,000 y 30,000 voltios, dependiendo de la norma en la red eléctrica local. Los grandes fabricantes proporcionarán modelos de turbinas eólicas de 50 Hz (para las redes eléctricas en la mayor parte del mundo) y modelos de 60 Hz (para la red eléctrica en América del Norte y Centroamérica) SISTEMA DE ENFRIAMIENTO L os generadores necesitan enfriarse mientras trabajan. En la mayoría de las turbinas esto es cumplido encapsulando el generador en un conducto, usando a un ventilador grande para refrescar el aire, pero unos fabricantes usan generadores de agua fría. Generadores de agua fría pueden construirse más CAPÍTULO 9:DESCRIPCIÓN DE LAS TURBINAS EÓLICAS 130

11 sólidamente, dando algunas ventajas de eficacia eléctrica, pero ellos requieren un radiador en la nacelle para librarse del calor del sistema líquido refrescante ARRANQUE Y DETENCIÓN DEL GENERADOR S i usted conectara (o desconectara) un gran generador de turbina eólica a la red dando un golpecito a un interruptor ordinario, sería bastante probable que usted dañe el generador, la caja de engranajes y la corriente en la red del vecindario OPCIONES DE DISEÑO EN GENERADORES Y CONEXIÓN A LA RED T urbinas eólicas pueden diseñarse con generadores síncronos o asíncronos, y con varias formas de conexión directa o indirecta del generador a la red. La conexión directa a la red significa que el generador se conecta directamente a la red de corriente alterna(normalmente trifásico). Medios indirectos de conexión a la red significan que la corriente de la turbina atraviesa una serie de dispositivos eléctricos que ajustan la corriente para emparejarla con la de la red. Con un generador asincrónico esto ocurre automáticamente. 9.6 VELOCIDAD DEL ROTOR L as modernas turbinas eólicas tienen dos tipos de conexiones eléctricas a la red. Con la simple sincronización directa de un generador a inducción el rotor opera con velocidad casi constante porque la fuerte red guarda la frecuencia del generador. La única variación de velocidad rotatoria es dada por el rango de desliz del generador. Con la ayuda de un sistema inversor entre el generador de la turbina eólica y la red, la turbina es desacoplada de la frecuencia de la red y puede rodar a velocidades inconstantes. Para un periodo largo, la red acopló directamente la turbina eólica, la que dominó el mercado mundial debido a su simplicidad técnica. Pero varios aspectos positivos de las turbinas eólicas que usan velocidad del rotor inconstante cambiaron la situación del desarrollo actual. Como resultado, las nuevas grandes turbinas de megavatio acostumbran cada vez más, velocidad del rotor inconstante por las ventajas técnicas VELOCIDAD VARIABLE DEL ROTOR L a disposición aerodinámicamente perfeccionada fuera de turbinas eólicas es basado en una relación fija entre el CAPÍTULO 9:DESCRIPCIÓN DE LAS TURBINAS EÓLICAS 131

12 viento y velocidad de punta del rotor, llamada velocidad de punta de pala 8. Para guardar el máximo de eficacia aerodinámica, el rotor debe cambiar su velocidad rotatoria según la velocidad del viento, en otras palabras, los vientos bajos con velocidades del rotor bajas, vientos altos con velocidades del rotor altas. Tal comportamiento de operación es posible con la velocidad del rotor inconstante de las actuales turbinas eólicas. Su variación de velocidad rotatoria va de aproximadamente 40% a 100% de velocidad nominal del rotor. Estas turbinas eólicas usan sistemas inversores, doble alimentación en los generadores de inducción o, para los rangos de velocidad más pequeños de aproximadamente 10%, un incremento en el resbale del generador. La velocidad del rotor inconstante normalmente se combina con un sistema de control del ángulo pitch. Ambos rasgos técnicos permiten un rango grande de adaptaciones a las diferentes condiciones de funcionamiento de una turbina eólica. Turbinas eólicas con velocidad del rotor inconstante tienen varias ventajas operacionales comparadas con las máquinas de velocidad de rotor constantes. Éstas son: extracción de energía más alto las fluctuaciones de potencia muy bajas durante el funcionamiento cargas bajas del rotor debido a velocidad del rotor que rinde en ráfagas posibles bajos cambios de pitch de la pala baja velocidad del rotor en condiciones de viento bajas reduce la emisión de ruido considerablemente En Alemania aproximadamente 40% de todas las turbinas eólicas instaladas tienen la velocidad del rotor inconstante en combinación con pitch control. También la nueva generación de turbinas de megavatio tienen una tendencia fuerte hacia la velocidad del rotor inconstante combinada con pitch control VELOCIDAD CONSTANTE DEL ROTOR L a velocidad del rotor constante es la manera más simple de operar una turbina eólica porque la velocidad del rotor es guiada por la frecuencia de una fuerte red. La proporción de velocidad de punta 8 (ver velocidad del rotor inconstante) no puede mantenerse constante durante el funcionamiento, esto significa que la eficacia aerodinámica alcanzada sólo es óptima con una velocidad de viento, que es la velocidad de viento de diseño de la pala del rotor. Durante todas las otras velocidades de viento la eficacia es más pequeña que el máximo. Para una mejor adaptación del funcionamiento del rotor al punto del diseño aerodinámico, los fabricantes usan a menudo dos generadores de inducción de velocidad que permiten cambiar la CAPÍTULO 9:DESCRIPCIÓN DE LAS TURBINAS EÓLICAS 132

13 velocidad del rotor en dos pasos. A velocidades de viento bajas el generador opera con una velocidad rotatoria baja (número más alto de polos) y a las velocidades de viento altas con una velocidad rotatoria alta (número más bajo de polos). Constante un o dos pasos, el funcionamiento de la velocidad del rotor es la manera más simple de control de velocidad del rotor, porque la red fuerte toma la velocidad de guía. No es necesario ningún sistema de control de velocidad del rotor Regulación de velocidad de rotor simple por la red fuerte Sólo es necesario supervisar la velocidad del rotor Costos de diseño bajos La mayoría de las turbinas eólicas instaladas en el mundo usan la velocidad constante del rotor directamente acoplada al sistema de red. Principalmente en combinación con el stall control tiene una tradición larga y exitosa en energía eólica y fue el primer funcionamiento fiable de un sistema de control de velocidad del rotor. Debido al acoplamiento rígido a la red, la fluctuación de potencia alcanza valores más altos que las turbinas eólicas de velocidad inconstantes. 9.7 TAMAÑO DE TURBINAS EÓLICAS AUMENTO DE LA PRODUCCIÓN DE POTENCIA CON EL AREA DEL ROTOR BARRIDA C uando un granjero le dice cuánta tierra está cultivando, él normalmente declarará una área en términos de hectáreas o acres. Con una turbina eólica es la misma historia, sin embargo cuando trabajamos con el viento nosotros cultivamos una área vertical en lugar de una horizontal. El área del disco cubierta por el rotor, (y velocidades del viento, por supuesto), determina cuánta energía nosotros podemos recolectar en un año. La FIGURA 9.6 da una idea de un tamaño normal de rotor de turbinas eólicas: Una turbina típica con un generador eléctrico de 600 kw tendrá típicamente un diámetro del rotor de unos 43 metros (141 ft.). Si usted dobla el diámetro del rotor, usted consigue una área que es cuatro veces más grande (dos cuadrados). Esto significa que usted también recibe tanto rendimiento de potencia a cuatro veces del rotor. Los diámetros del rotor pueden variar un poco sobre las figuras dadas, porque muchos fabricantes perfeccionan sus CAPÍTULO 9:DESCRIPCIÓN DE LAS TURBINAS EÓLICAS 133

14 máquinas a las condiciones de viento locales: Un generador más grande, por supuesto, requiere más potencia (es decir vientos fuertes) para girar del todo. Así si usted instala una turbina eólica en un área de viento baja usted aumentará al máximo el rendimiento de producción anual usando un generador bastante pequeño para un tamaño del rotor dado (o un tamaño del rotor más grande para un generador dado). Para las máquinas de 600kW los diámetros del rotor pueden variar de 39 a 48 m (128 a 157 ft.) La razón por qué usted puede recibir más rendimiento de un generador relativamente más pequeño en una área de viento baja es que la turbina estará corriendo más horas durante el año. FIGURA ESCOGIENDO ENTRE TORRES BAJAS Y ALTAS O bviamente, usted recibe más energía de una turbina eólica más grande que una pequeña, pero si usted echa una mirada a las tres turbinas eólicas debajo, que son respectivamente de 225 kw, 600 kw, y 1,500 kw, y con diámetros del rotor de 27, 43, y 60 metros, usted notará que las alturas de la torre también son diferentes (FIGURA 9.7). Claramente, nosotros no podemos ajustar sensiblemente un rotor de 60 metros a una torre de menos de 30 metros. Pero si nosotros consideramos el costo de un rotor grande, un generador grande y la caja de engranajes, habría seguramente pérdidas al instalarlo en una torre pequeña, porque nosotros conseguimos velocidades de viento mucho más altas y así mayor energía con una torre alta. Cada metro de altura de la torre cuesta dinero, por supuesto, así que la altura óptima de la torre es una función de costos de la torre por metro (10 metros de torre extra costará actualmente aproximadamente 15,000 USD) cuánto el viento varía localmente con la altura sobre el nivel de tierra, es decir la media aspereza del terreno local (la aspereza grande lo hace más útil con una torre más alta), el precio que el dueño de la CAPÍTULO 9:DESCRIPCIÓN DE LAS TURBINAS EÓLICAS 134

15 turbina consigue durante una hora del kilovatio adicional de electricidad. Los fabricantes entregan a menudo máquinas donde la altura de la torre es igual al diámetro del rotor. Estéticamente, muchas personas hallan que las turbinas son más agradables al parecer, si la altura de la torre es aproximadamente igual al diámetro del rotor RAZONES PARA ESCOGER GRANDES TURBINAS Hay economías de escala en turbinas eólica, es decir las máquinas más grandes pueden normalmente entregar electricidad a un costo más bajo que las máquinas más pequeñas. La razón es que el costo de fundaciones, construcción de caminos, conexión a la red eléctrica, más varios componentes en la turbina (el sistema de control electrónico, etc.), es algo independiente del tamaño de la máquina. Las grandes máquinas son particularmente bien preparadas para granjas eólicas offshore. El costo de fundaciones no sube en proporción al tamaño de la máquina y los costos de mantenimiento son principalmente independientes del tamaño de la máquina. En áreas donde es difícil encontrar sitios para más de una turbina, una turbina grande con una torre alta usa la existencia del recurso eólico más eficazmente RAZONES PARA ESCOGER TURBINAS MÁS PEQUEÑAS a red eléctrica local puede ser demasiado débil para L manejar el rendimiento de la electricidad de una máquina grande. Éste puede ser el caso en partes remotas de la red eléctrica en áreas con densidad de población baja y el consumo de electricidad pequeña. Hay menos fluctuación en el rendimiento de la electricidad de un parque eólico que consiste en varias máquinas más pequeñas, desde que las fluctuaciones del viento ocurren al azar, y por consiguiente tiende a cancelar fuera. De nuevo, las máquinas más pequeñas pueden ser una ventaja en una red eléctrica débil. El costo de usar grúas grandes, y construir caminos bastantes fuertes para transportar los componentes de la turbina puede originar máquinas más pequeñas y más económicas en algunas áreas. Varias máquinas más pequeñas extendieron el riesgo en caso de fallas temporales en la máquina, ej. debido al relámpago. CAPÍTULO 9:DESCRIPCIÓN DE LAS TURBINAS EÓLICAS 135

16 9.8 SEGURIDAD DE LA TURBINA EÓLICA I. PALAS DEL ROTOR e diseñan las palas del rotor y otros componentes de una turbina eólica para durar 20 años. Esto significa que ellas tendrán que soportar más de 120,000 horas operando, a menudo bajo condiciones de tiempo tormentosas. Si usted compara con un artefacto automovilístico ordinario, normalmente sólo opera unas 5,000 horas durante toda su vida. Las regulaciones de seguridad para las turbinas eólicas varían entre los países. Dinamarca es el único país en el que la ley requiere que todas las nuevas palas del rotor sean probadas estáticamente, es decir aplicando pesos para doblar la pala, y dinámicamente, es decir probando la fatiga de la pala. II. S TORRES L as grandes turbinas eólicas modernas normalmente usan torres cónicas tubulares de acero. La ventaja primaria de esta torre sobre una torre de cemento es que la hace más segura y más cómoda para el personal de servicio acceder a la turbina eólica para la reparación y mantenimiento. La desventaja es que es costosa. Se construyen muchas turbinas eólicas pequeñas y algunas grandes con torres de polos estrechos sostenidas por tensores. La ventaja es el ahorro de dinero, y así el costo. Las desventajas son el difícil acceso alrededor de las torres que las hacen menos convenientes en áreas granjeras. El acceso para el personal de servicio es menos seguro. Finalmente, este tipo de torre es más propenso al vandalismo, comprometiendo así la seguridad global. III. SEGURIDAD PROFESIONAL E l peligro primario de trabajar con turbinas eólicas es la altura sobre la tierra durante el trabajo de instalación y al hacer el mantenimiento. Las nuevas turbinas eólicas danesas exigen tener los dispositivos de protecciones de caída, es decir la persona que sube a la turbina tiene que usar un cinturón de seguridad. Las correas se conectan con un alambre de acero a un sistema fijo que sigue a la persona mientras sube o desciende de la turbina. CAPÍTULO 9:DESCRIPCIÓN DE LAS TURBINAS EÓLICAS 136

17 El sistema de alambre tiene que incluir un amortiguador, para que las personas estén bastante seguras en caso de una caída. Una tradición danesa (qué ha sido subido subsecuentemente por otros fabricantes), es poner las escaleras de mano de acceso a una cierta distancia de la pared. Esto permite al personal de servicio subir la torre mientras descansa los hombros contra la pared interior de la torre. Protección de la maquinaria, protección de fuego y protección de aislamiento eléctrico es regido a través de varias normas nacionales e internacionales. Durante la reparación es esencial que la maquinaria pueda detenerse completamente. Además de un freno mecánico, el rotor puede cerrarse con un pin para prevenir cualquier movimiento de las partes mecánicas. IV. PROTECCIÓN DE SOBREVELOCIDAD E s esencial que las turbinas eólicas se detengan automáticamente en caso de funcionamiento defectuoso de un componente crítico. Ej. si el generador sobrecalienta o está desconectado de la red eléctrica y el rotor empieza a sobreacelerarse rápidamente. En semejante caso es esencial tener un sistema de protección de sobrevelocidad. Las turbinas eólicas danesas son solicitadas por la ley al tener dos fallas independientes en los mecanismos de seguridad de freno de la turbina. V. SISTEMA DE FRENADO AERODINÁMICO: FRENOS DE LA PUNTA E l sistema de frenado primario para las turbinas eólicas más modernas es el sistema de frenado aerodinámico que esencialmente consiste en girar las palas del rotor aproximadamente 90 grados a lo largo de su eje longitudinal (en el caso de una turbina con pitch control), o girando las puntas de la pala del rotor 90 grados (turbina con stall control). Estos sistemas son normalmente operados incluso para trabajar en caso de fallas de la potencia eléctrica, y ellos se sueltan automáticamente si el sistema hidráulico en la turbina pierde presión. El sistema hidráulico en la turbina se usa girando las palas o atrás de las puntas de la pala una vez que la situación peligrosa ha terminado. La experiencia ha demostrado que esos sistemas de frenado aerodinámicos son sumamente seguros. Ellos detendrán la turbina, CAPÍTULO 9:DESCRIPCIÓN DE LAS TURBINAS EÓLICAS 137

18 a lo sumo en un par de rotaciones. La manera normal de detener una turbina moderna (por cualquier razón) es por consiguiente usar el sistema de frenando aerodinámico. VI. SISTEMA DE FRENADO MECÁNICO E l freno mecánico usa un sistema de backup para el sistema de frenado aerodinámico, y una vez como un freno de estacionamiento, la turbina se detiene en el caso de un stall control. Las turbinas con pitch contol raramente necesitan activar el freno mecánico (salvo trabajo de mantenimiento) porque el rotor no se puede mover mucho una vez que las palas del rotor giran 90 grados. CAPÍTULO 9:DESCRIPCIÓN DE LAS TURBINAS EÓLICAS 138