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Funcionamiento

EL AEROGENERADOR


Un aerogenerador es un dispositivo que transforma la energía cinética del viento en energía mecánica. En la actualidad, casi la totalidad de las turbinas eólicas son del tipo eje horizontal y tripalas.

FUNCIONAMIENTO DEL AEROGENERADOR


El funcionamiento de las antiguas turbinas eólicas, de modo similar a los molinos de viento, se basaba en el principio de la resistencia al arrastre que ofrecen las palas frente a la acción del viento. Este diseño, no aerodinámico, conducía a un rendimiento de conversión de la energía cinética del viento en energía mecánica en el eje de la máquina muy pequeño, con valores en torno al 12%. Las turbinas modernas funcionan bajo el principio de la fuerza de sustentación que se desarrolla en la pala debido a su diseño aerodinámico, de modo similar al ala de un avión. El avance en el diseño aerodinámico y estructural de las palas, ha permitido incrementar el rendimiento de conversión a valores cercanos al límite teórico.

Los sistemas principales de un aerogenerador son:

  • Sistema de captación. (Se encuentra en el exterior)1
    • Rotor: Incluye el buje y las palas.
    • Palas: Elementos que capturan la energía del viento y transmiten su potencia hacia el buje. Las palas pueden ser de dos tipos:
      • Paso fijo: En este tipo de palas su posición permanece invariable. Para esta clase de sistemas, cuando la velocidad del viento excede un determinado valor y se hace necesario limitar la energía capturada, el perfil de la pala entra en pérdida aerodinámica provocando turbulencias que mantienen dentro de unos márgenes la energía extraída.
      • Paso variable: Aquellas que modifican su posición, es decir, el ángulo que forma el perfil de la pala con la corriente de aire incidente en la misma. Permiten controlar la energía mecánica suministrada al aerogenerador modificando este ángulo.
    • Buje: Une las palas solidarias al eje lento. Está acoplado al eje de baja velocidad del aerogenerador.
  • Sistema de transmisión.
    • Eje lento: El eje de baja velocidad del aerogenerador conecta el buje del rotor al multiplicador. Por el interior, discurren conductos del sistema hidráulico o eléctrico, para accionamiento de los frenos aerodinámicos, del paso variable y del control de los sensores del rotor.
    • Multiplicador: A su entrada se encuentra el eje de baja velocidad, y mediante un sistema de engranajes, consigue que el eje de salida, de alta velocidad, gire a mayor frecuencia (entre 80 y 50 veces más rápido, dependiendo del modelo de la turbina).
    • Eje de alta velocidad: Gira aproximadamente a 1.500 revoluciones por minuto (r.p.m.), lo que permite el funcionamiento del generador eléctrico. Está equipado con un freno de disco mecánico de emergencia.
  • Sistema de orientación.
    • Motores de giro: En las turbinas eólicas grandes, es necesario un mecanismo que las posicione enfrentadas al viento. Este movimiento circular, se consigue con unos motores y reductores fijos a la góndola que engranan en un dentado de la parte superior de la torre, llamada corona de orientación. La señal de posicionamiento correcta la recibe del controlador de la turbina, a partir de las lecturas de la veleta y del anemómetro instalados en cada aerogenerador.
    • Freno en orientación: Tienen como misión evitar desplazamientos radiales de la góndola no deseados, bien por efecto del viento incidente o por giro del rotor. Asimismo, reducen el desgaste de los engranajes de orientación. Su accionamiento puede ser hidráulico o eléctrico, actuando en pinzas de freno o motor eléctrico respectivamente.
  • Sistema de generación
    • Generador eléctrico. Son los elementos de la turbina encargados de convertir la energía mecánica (en forma rotatoria) en energía eléctrica. La electricidad producida en el generador se conduce hasta la base de la torre, donde es transformada (elevación de tensión y reducción de intensidad) y enviada a la red.
    • Cableado de potencia. Transporta la energía eléctrica generada desde el alternador hasta el transformador del fuste, pasando por las distintas protecciones de máxima o mínima tensión, sobreintensidad o frecuencia, evitando así posibles daños a la red o a la propia turbina en caso de producirse contingencias en el aerogenerador o red de distribución.
    • Transformador interno. Eleva la tensión de generación desde los 690V o 1.000 V (en función del aerogenerador) hasta 20 kV, reduciendo la intensidad y con ello las pérdidas eléctricas y el calentamiento del cableado.
  • Sistema de control.
    • Controlador de turbina. El controlador continuamente supervisa las condiciones de la turbina eólica, recoge estadísticas de su funcionamiento y regula interruptores, bombas hidráulicas, válvulas y demás elementos del aerogenerador.
    • Sensores de control. Se utilizan para medir los parámetros físicos de funcionamiento y supervisión de la turbina. Las señales electrónicas son utilizadas por el controlador electrónico para conectar el aerogenerador cuando la señal recibida es correcta. El controlador parará el equipo automáticamente si la información recibida de los sensores es errónea, con el fin de proteger la turbina.
    • Señales de control y regulación. Desde el controlador de turbina, en base al análisis de la información de los sensores, se generan órdenes que afectan a la operación y funcionamiento del aerogenerador.
  • Sistema de soporte.
    • Torre. Soporta la góndola y el rotor. Puede ser tubular o de celosía (estas últimas, aunque más baratas, están en desuso ya que las tubulares son mucho más seguras). Tienen varias secciones para facilitar el transporte. La unión de los distintos tramos se realiza mediante pernos en las bridas de unión.
    • Cimentación. Es la parte que permite mantener la verticalidad de la estructura. Su misión es absorber las tensiones del resto de la estructura y transmitirlos al terreno.
  • Sistema hidráulico.
    • Grupo de presión. Se encarga de suministrar fluido hidráulico a una presión determinada para permitir el accionamiento de sistemas de captación, orientación o transmisión.
    • Conductos hidráulicos. Canalizan el fluido hidráulico hasta el punto de utilización.
    • Válvulas de control. Adaptan la presión y caudal del fluido en base al actuador a accionar.
  • Sistemas de refrigeración.
    • Ventiladores. Funcionan a requerimiento del controlador para crear una circulación de aire.
    • Intercambiadores de calor. Disipan el calor del componente a refrigerar (generador, multiplicador o central hidráulica) hacia la corriente de aire creada por los ventiladores.

ESTRATEGIA DE FUNCIONAMIENTO


  • Arranque del Aerogenerador.

    Cuando la turbina detecta viento en cualquier dirección, por los sensores de velocidad de viento (anemómetros de turbina), el controlador realiza las siguientes órdenes al aerogenerador, a través de los motores correspondientes:

    • Entre 2 - 3 m/s. Envía la orden de posicionarse frente al viento. Esta orden se denomina orientación de la turbina.
    • A partir de 3 m/s. La orden de desaplicar frenos para permitir el giro de la turbina y comenzar a girar por el efecto únicamente del empuje del viento.
      • Paso variable, además envía la consigna de posición de las palas progresivamente
        de 90º - 0º.
    • Rpm >= 1500. Al llegar a la velocidad de sincronismo del generador solicitado (dependiendo del viento, se selecciona un generador u otro con velocidades diferentes), se conecta el generador a la red de forma suave, contando para ello con electrónica de potencia mediante tiristores (un tipo de interruptor continuo de semiconductor, que puede ser controlado electrónicamente). Al realizar la conexión (dura entre 3 y 4 segundos), se conecta directamente el generador a red, mediante un interruptor.
    • Conexión directa a la red. A partir de este momento, el generador queda conectado directamente a la red eléctrica general, enviando la energía al sistema nacional. La velocidad es constante y limitada únicamente por la frecuencia de la red.
      • Paso Fijo. Cuando el viento es demasiado elevado, el diseño aerodinámico de las palas de paso fijo incrementa las turbulencias del flujo de aire, limitando con ello la potencia.
      • Paso Variable. El control del aerogenerador se realiza mediante la actuación en el ángulo de paso, capturando o limitando la potencia extraída del viento. La velocidad de generación puede ser variable.
    • En turbinas de doble devanado. La finalidad es optimizar la energía generada para diferentes rangos de velocidad de viento, seleccionándose un generador u otro en función del mismo.

  • Parada del Aerogenerador.

    Puede ocurrir por los siguientes motivos:

    • Vientos altos. Cuando el viento supera un margen (>25 m/s ó 90 km/h), o bien cuando un error es detectado en base a la lectura de los sensores de viento.
    • Error de funcionamiento. Se detecta un error de funcionamiento mediante la información de los sensores.
    • Parada por poco viento. Se inicia la secuencia si se detecta poca generación o vientos muy bajos.
    • Parada Manual. Se realiza bajo la supervisión del personal de operación y mantenimiento.

    En la parada de la turbina se distinguen los siguientes procedimientos:

    • Parada Suave.
      • Paso fijo. El controlador envía una orden al sistema de captación para desplegar los aerofrenos, simultáneamente desconecta el generador, revisa la disminución de las rpm y emplea los frenos de forma suave. Al cabo de varios segundos, aplica una presión de frenada cada vez mayor hasta conseguir la detención total.
      • Paso Variable. La orden la envía a los actuadores del calaje de palas (pitch) aumentando los grados hasta los 90º. Simultáneamente desconecta el generador y realiza de igual forma un incremento paulatino de presión en el circuito secundario de frenada.
    • Parada de Emergencia. Se produce ante errores importantes, peligro para personas o integridad de la turbina. Se aplican frenos con la máxima presión desde el primer momento.
    • Cambio devanado generador. No se llega a realizar una parada, sólo una disminución de la velocidad de giro en el caso de pasar del generador grande al pequeño. En el caso contrario, la turbina se desacopla y permite el embalamiento con el viento hasta alcanzar la nueva velocidad de sincronismo.

1. Los restantes sistemas se encuentran en el interior de la Góndola, que contiene los componentes clave del aerogenerador, incluyendo el multiplicador y el generador eléctrico. El personal de servicio puede entrar en la góndola desde la torre de la turbina.