Aerogeneradores: El rotor

Posición del eje principal del aerogenerador

Los aerogeneradores comerciales que se construyen en la actualidad son de eje principal horizontal (también denominados HAWTs). El eje vertical presenta algunas ventajas frente a los horizontales, como no necesitar una torre para su instalación o un mecanismo de orientación para girar el rotor en contra del viento, pero para una eficiencia parecida presenta muchos más inconvenientes que el eje horizontal. Algunas de estas desventajas son: la velocidad del viento cerca del suelo son más bajas, control más difícil ya que no permiten variar el ángulo de las palas, entre otras.

Corriente arriba o corriente abajo

Las máquinas de corriente arriba tienen el rotor a barlovento (cara al viento), evitándose con este tipo de corriente el abrigo del viento tras la torre. La mayoría de los aerogeneradores tienen este diseño. La principal desventaja es que el rotor necesita ser inflexible y estar situado a cierta distancia de la torre, para que las palas no pasen demasiado cerca de ésta. En las máquinas de corriente arriba el eje principal suele estar inclinado de 2 a 5 grados.

Las máquinas de corriente abajo tienen el rotor situado en la cara a sotavento de la torre. La ventaja es que pueden ser construidos sin mecanismo de orientación, pues la góndola (que es el cubículo en el que se encuentra la caja de cambios, el eje principal, los sistemas de control, el generador, los frenos y los mecanismos de giro) sigue al viento pasivamente. Las palas tienen un pequeño ángulo de conicidad respecto al eje de giro; así, cuando varía la dirección del viento, se produce un momento desigual en las palas que provoca un par de giro sobre el rotor orientándolo. En las maquinas de corriente abajo el rotor puede ser más flexible.

Las palas aerodinámicas

Se podrán utilizar de una a tres palas girando suavemente. En el caso de perfiles aerodinámicos de baja área estructural y con baja generación de vórtices se obtienen mayores niveles de energía y mayor coeficiente de potencia.

Otra posibilidad sería las construcciones en madera y metal con un elevado número de palas, generalmente más de 6.

Lo más común hoy en día son los diseño tripala con el rotor a barlovento (cara al viento), con motores eléctricos en sus mecanismos de orientación.

El contorno de las palas debería ser de tipo hiperbólico. Los fabricantes usan perfiles aerodinámicos en sus palas, introduciendo cada vez más mejoras para reducir las pérdidas por estela, vórtices y mejorar la eficiencia de los perfiles.

El buje

Las palas están unidas al buje, que se encarga de transmitir todas las fuerzas, momentos y vibraciones a la torre. Lo más normal es que este buje sea rígido, especialmente en máquinas de pequeña y mediana potencia.

También se puede optar por utilizar un buje basculante en el diseño, suavizando así el funcionamiento y disminuyendo las cargas sobre las palas.

Torre

La torre es la estructura que soporta a una determinada altura al mecanismo productor de electricidad del aerogenerador. Al elevar los componentes se consigue un aprovechamiento mayor de la fuerza del viento, pues a una mayor altura sobre el nivel del suelo mayor será su velocidad, y por lo tanto, también la velocidad de rotación de las palas. Su diseño suele consistir en un tronco cónico o tubular hueco de acero, en cuyo interior se alojan los equipos accesorios de suelo y se facilita un acceso seguro mediante una escalera a la góndola.

Góndola

Es el chasis principal del aerogenerador, se sitúa en la parte superior de la torre y en su interior se encuentran los elementos eléctricos y mecánicos necesarios para convertir el giro del rotor en energía eléctrica. Se encuentra unida a la torre por una corona dentada para permitir la orientación del rotor al viento, y rotor y las palas por el eje principal que transmitirá la fuerza del viento al multiplicador y al motor sucesivamente. En su parte exterior lleva instalado un anemómetro y una veleta conectados a los sistemas de control de aerogenerador, y unos respiraderos para garantizar la refrigeración del motor. Se construyen en acero forjado y placas de fibra de vidrio.

Nariz

Es un elemento aerodinámico que se sitúa en frente de la dirección de viento sobresaliendo de la zona de unión entre las palas y el buje. Su misión consiste en re direccionar el viento de la parte frontal del rotor a los respiraderos de la góndola y a la vez evitar turbulencias en la parte frontal del rotor.

Tren de potencia

Es el encargado de transmitir la energía producida por el giro del rotor al motor de un forma aprovechable por este para la generación de energía eléctrica. Está formado por el eje principal, caja multiplicadora y eje secundario. El eje principal es una pieza tubular de acero macizo de gran diámetro, unido solidariamente al rotor y que gira a velocidades de entre 22 y 64 rpm, según el modelo de aerogenerador y las condiciones de operación. Sin embargo un motor estándar de generación eléctrica necesita velocidades de giro de entorno a las 1500 rpm, por lo que es necesario un multiplicador que aumente la velocidad de giro transmitida. El multiplicador es una caja de engranajes que convierte la baja velocidad de giro y alta potencia del eje principal en una velocidad de giro adecuada para el funcionamiento del motor a costa de la potencia. El giro se transmite del multiplicador a el motor mediante el eje secundario, de menor diámetro que el eje principal, de forma similar a como ocurría entre el rotor y la caja de engranajes con el eje principal..

Generador

El generador convierte la energía mecánica producida por el rotor en energía eléctrica. Suelen utilizarse generadores asíncronos de jaula de ardilla, junto con baterías de condensadores para mejorar su factor de potencia. La conexión a la red puede ser directa o indirecta a la red, dependiendo si la turbina trabaja a velocidad constante o variable. Trabajando conectado de forma indirecta a la red conseguimos aprovechar los picos de velocidad del viento, pero el generador produce energía de frecuencia variable por lo que se necesitan equipos de adecuación para volcar la energía en la red. En la forma directa de conexión, la propia red limita la velocidad de giro del generador, por lo que no aprovecha los picos de mayor energía del viento.

Sistemas de control

Los sistemas de control en un aerogenerador tienen dos importantes cometidos, el primero es el aprovechamiento máximo de la fuerza del viento mediante la orientación del rotor, el segundo es la protección del aerogenerador ante velocidades de viento que podrían dañar la instalación.

Para el cometido de la orientación el aerogenerador cuenta con equipos anemométricos y de medida de la dirección del viento instalado sobre la góndola. Los datos recogidos pasan al ordenador de control que según un algoritmo determinado decidirá como deberá mover la góndola gracias al sistema de corona dentada y motor de giro instalados en la base de la góndola en su unión con la torre. Es necesario aclarar que el control sobre la orientación del rotor no se realiza a tiempo real, si no que el algoritmo, con los datos recogidos, debe ser capaz de garantizar que realmente el viento a cambiado de dirección de forma estable, antes de que se produzca el giro de la góndola, ya que en caso contrario daría lugar a un movimiento errático del sistema que reduciría su eficiencia.