Aerogeneradores de Eje Horizontal

AEROGENERADOR Un aerogenerador es un generador eléctrico movido por una turbina accionada por  el viento (turbina (turbina eólica). eólica). Sus precedentes precedentes directos son los molinos de viento que se empleaban para la molienda y obtención de harina. En este caso, la energía eólica, en realidad la energía cinética del aire en movimiento, proporciona energía mecnica mecnica a un rotor hélice que, que, a través de un sistema de transmisión transmisión mecnico, mecnico, hace hace girar girar el rotor rotor de un generad generador or,, normalm normalment ente e un alterna alternador dor tri!s tri!sico ico,, que convierte la energía mecnica rotacional en energía eléctrica. "os aerogeneradores pueden traba#ar de manera aislada o agrupados en parques eólicos o plantas de generación eólica, distanciados unos de otros, en !unción del impacto ambiental y de las turbulencias generadas por el movimiento de las palas. $a en la primera mitad del siglo %%, la generación de energía eléctrica con rotores eólicos !ue bastante popular en casas aisladas situadas en &onas rurales. "a energ energía ía eóli eólica ca se est est volv volvie iend ndo o ms ms popu popula larr en la actua actualilida dad, d, al habe haber  r  demostrado la viabilidad industrial, y nació como b'squeda de una diversi!icación en el abanico de generación eléctrica ante un crecimiento de la demanda y una situación geopolítica cada ve& ms complicada en el mbito de los combustibles tradicionales.

Parque eólico offshore en la costa belga del Mar del Norte

AEROGENERADORES DE EJE HORIZONA! e las diversas maneras de clasi!icar a los aerogeneradores la ms com'n y di!undida es por la disposición de su e#e de rotación la cual a su ve& se divide en aerogeneradores de e#e vertical y de e#e hori&ontal. Esta 'ltima es la !orma ms reconocible de este tipo de mquina en la actualidad, debido a que es la ms utili&ada en instalaciones de generación eléctrica de gran tamao (parques eólicos). "os aerogeneradores de e#e hori&ontal son los ms utili&ados y permiten cubrir  desde aplicaciones aisladas de pequea potencia (de apro*imadamente + -) hasta instalaciones en grandes parques eólicos, donde se puede llegar a utili&ar  aerogeneradores por encima de + / de potencia. Un aerogenerador de e#e hori&ontal es, bsicamente, una mquina rotacional, el movimiento de la cual es producido por la energía cinética del viento, cuando éste act'a sobre un rotor que dispone de un n'mero variable de palas. El movimiento rotacional producido es transmitido y multiplicado mediante un multiplicador de velocidad, hasta un generador que produce la energía eléctrica. 0odos estos componentes se instalan sobre una góndola que se sit'a arriba de una torre de apoyo. 1ada aerogenerador dispone de un microprocesador que controla y regula las sus variables de puesta en marcha, !uncionamiento y paro, transmitiendo toda esta in!ormación a la central de control de la instalación. 2gualmente, cada aerogenerador incorpora, en la base de la torre, un armario con todos los componentes eléctricos (interruptores automticos, trans!ormadores de intensidad, protectores de sobre tensión, etc.), 3revios al transporte de la energía eléctrica generada hasta la cone*ión con la red o los puntos de consumo. "a energía obtenida por un aerogenerador determinado depende bsicamente de la potencia del viento atravesando el rotor y es directamente proporcional a la densidad del aire, la super!icie barrida por sus palas y la velocidad del viento.

PRIN"IPIO DE #$N"IONAMIENO  4unque e*isten dos tipos bsicos de aerogeneradores, e#e hori&ontal y e#e vertical, el principio de operación es esencialmente el mismo así como su clasi!icación diversa. "a captación de la energía eólica se reali&a mediante la acción del viento sobre las palas, las cuales estn unidas al e#e a través de un elemento denominado cubo (con#unto que recibe el nombre de rotor). El principio

aerodinmico, por el cual este con#unto gira, es similar al que hace que los aviones vuelen.

#uer%as de sustentación & arrastre

Seg'n este principio, el aire que es obligado a !luir por las caras superior e in!erior  de una placa o per!il inclinado genera una di!erencia de presiones entre ambas caras, dando origen a una !uer&a resultante (5) que act'a sobre el per!il. escomponiendo esta !uer&a en dos direcciones se obtiene6 •

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"a !uer&a de sustentación (s), o simplemente sustentación, de dirección perpendicular al viento. "a !uer&a de arrastre (a), de dirección paralela al viento. 3ara !avorecer la circulación del aire sobre la super!icie de las palas, evitar la !ormación de torbellinos y ma*imi&ar la di!erencia de presiones, se eligen per!iles de pala con !ormas convenientes desde el punto de vista aerodinmico. Seg'n como estén montadas las palas con respecto al viento y al e#e de rotación, la !uer&a que producir el par motor ser dominantemente la !uer&a de arrastre o la de sustentación. 1on e*cepción de las panémonas y los rotores tipo Savonius, en todas las mquinas modernas la !uer&a dominante es la de sustentación pues permite obtener, con menor peso y costo, mayores potencias por unidad de rea del rotor. 1omo la !uer&a de sustentación es la 'nica que dar origen al par o cupla motora, habr que disear el per!il y ubicar las palas dndole un ngulo de ataque (7) que haga m*ima la relación !uer&a de sustentación8!uer&a de arrastre.

Este anlisis simple es solo vlido cuando las palas de un molino estn en reposo.  4l permitir el giro del rotor, la !uer&a resultante sobre las pa las ser el resultado de la combinación de la acción directa del viento real (U) y la acción del 9viento9 (:) creado por las propias palas al girar. icho con otras palabras, el viento que 9ven9 las palas no es ms el viento real (U) sino el llamado viento aparente (:r), resultante de la composición de los vectores : y U. 1omo cada sección de una pala tiene velocidad di!erente del viento aparente también varía en el sentido longitudinal; por lo tanto, una pala ideal deber presentar un ngulo de incidencia di!erente a lo largo de toda su longitud, e!ecto que se logra dndole un alabeo. 4simismo, y también porque las velocidades son ms altas al acercarse a la punta de pala, el per!il podr tener menores dimensiones para obtener la misma !uer&a resultante. Estas consideraciones son particularmente importantes en mquinas de gran tamao. En molinos pequeos, por ra&ones de simplicidad y !undamentalmente costos, se acostumbra optar por  palas de sección constante y sin alabeo.

E'ectos del (iento sobre un ele)ento de *ala

+iento a*arente

Si el viento no supera la denominada velocidad de puesta en marcha (valor  mínimo necesario para vencer los ro&amientos y comen&ar a producir traba#o 'til) no es posible el arranque de un molino. 1on velocidades mayores comen&ar a girar entregando una potencia que responde a la conocida ley del cubo de la velocidad. Esto ser así hasta que se alcance la potencia nominal, generalmente la m*ima que puede entregar, punto en que comien&an a actuar mecanismos activos o pasivo de regulación para evitar que la mquina traba#e ba#o condiciones para las cuales no !ue diseada. 1ontinuar operando a velocidades mayores, aunque la potencia entregada no ser muy di!erente a la nominal, hasta que se alcance la velocidad de corte donde, por ra&ones de seguridad, se detiene. Estos parmetros vienen especi!icados en lo que se denomina las curvas de potencia de la mquina que es un gr!ico que muestra el desempeo de la mquina a distintas velocidades de operación. En el siguiente gr!ico se presenta una curva típica de potencia, así como los puntos de importancia que deben de tenerse en cuenta durante su estudio.

Rendi)iento t,*ico de un aerogenerador *eque-o

onde6

+a < :elocidad de arranque. +n < :elocidad nominal. +c < :elocidad de corte.

AEROGENERADORES DE EJE HORIZONA! e las diversas maneras de clasi!icar a los aerogeneradores la ms com'n y di!undida es por la disposición de su e#e de rotación la cual a su ve& se divide en aerogeneradores de e#e vertical y de e#e hori&ontal. Esta 'ltima es la !orma ms reconocible de este tipo de mquina en la actualidad, debido a que es la ms utili&ada en instalaciones de generación eléctrica de gran tamao (parques eólicos). "os aerogeneradores de e#e hori&ontal son los ms utili&ados y permiten cubrir  desde aplicaciones aisladas de pequea potencia (de apro*imadamente + -) hasta instalaciones en grandes parques eólicos, donde se puede llegar a utili&ar  aerogeneradores por encima de + / de potencia. Un aerogenerador de e#e hori&ontal es, bsicamente, una mquina rotacional, el movimiento de la cual es producido por la energía cinética del viento, cuando éste act'a sobre un rotor que dispone de un n'mero variable de palas. El movimiento rotacional producido es transmitido y multiplicado mediante un multiplicador de velocidad, hasta un generador que produce la energía eléctrica. 0odos estos componentes se instalan sobre una góndola que se sit'a arriba de una torre de apoyo. 1ada aerogenerador dispone de un microprocesador que controla y regula las sus variables de puesta en marcha, !uncionamiento y paro, transmitiendo toda esta in!ormación a la central de control de la instalación. 2gualmente, cada aerogenerador incorpora, en la base de la torre, un armario con todos los componentes eléctricos (interruptores automticos, trans!ormadores de intensidad, protectores de sobre tensión, etc.), 3revios al transporte de la energía eléctrica generada hasta la cone*ión con la red o los puntos de consumo. "a energía obtenida por un aerogenerador determinado depende bsicamente de la potencia del viento atravesando el rotor y es directamente proporcional a la densidad del aire, la super!icie barrida por sus palas y la velocidad del viento.

PARES. "os componentes principales de un aerogenerador de e#e hori&ontal son6 •

orre.  Soporta la góndola y el rotor. 0iene un altura de entre => a ?> metros, ya que la velocidad del viento aumenta seg'n se ale#a del nivel del suelo, a lo largo de ella hay una escalera para acceder a la góndola.

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Siste)a de orientación. Est activado por el controlador electrónico, vigila la dirección del viento utili&ando la veleta y su velocidad con un anemómetro. "ontrolador electrónico. Es un ordenador que controla continuamente las condiciones del aerogenerador y del mecanismo de orientación. En caso de cualquier anomalía detiene el aerogenerador y avisa al ordenador del operario de mantenimiento de la turbina. Góndola. 1ontiene los componentes clave del aerogenerador, el multiplicador y el generador eléctrico. El personal de servicio puede acceder  al interior de la góndola desde la torre. Palas del rotor. 1apturan la energía del viento y la transmiten hacia el rotor. 1ada pala mide entre @A a BA metros de longitud y su diseo es muy parecido al del ala de un avión, construido de material resistente y ligero. Rotor.  El rotor es donde la energía cinética del viento se convierte en energía rotativa, est acoplado al e#e de ba#a velocidad del generador. En un aerogenerador moderno de + / el rotor gira muy lento, a unas +C a B> revoluciones por minuto (r.p.m.), est dotado de un !reno aerodinmico que detiene el rotor cuando la velocidad del viento puede ser peligrosa para el equipo. #reno. Est equipado con un !reno de disco mecnico de emergencia, que se utili&a en caso de !allo del !reno aerodinmico, o durante las labores de mantenimiento de la turbina. Multi*licador. 3ermite que el generador gire a una velocidad ms elevada que la de la turbina (normalmente entre DA> y +A>> rpm),para que su tamao sea reducido (est alo#ado en la góndola). Generador el/ctrico. En los aerogeneradores modernos la potencia m*ima suele estar entre >> y +.A>> F/.

"o)*onentes de un aerogenerador de e0e 1ori%ontal

IPOS. •

Molinos de (iento con(encionales6 Son los clsicos molinos usados antiguamente y que en la actualidad se conservan como recuerdo histórico pero sin prestar servicio.

Esque)a de un cl2sico )olino de (iento

Sus características principales son6 •

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"ongitud de la palas6 entre A y +A m, y su anchura del orden de un @>G de su longitud. El material del que se construían es de madera. :elocidad de rotación6 variable entre +> y => rpm, en !unción de la longitud de las palas, correspondiendo los valores menores a las palas de mayor  longitud.

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"a orientación de la rueda de palas para situarla perpendicularmente al viento incidente se llevaba a cabo mediante un bra&o orientable o bien por  medio de una pequea eólica au*iliar que actuaba en !orma de veleta de orientación.

Aerogeneradores lentos6 Es un generador con un elevado n'mero de palas. Heneralmente su sistema de orientación es mediante un timónIveleta que hace que el plano de la hélice se sit'e siempre perpendicular a la dirección del viento.

Aerogenerador lento 345 *alas6 utili%ado co)o aerobo)ba

Sus características !undamentales son6 •

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J'mero de palas elevado, entre +@ y @=. imetro entre B y +> m, limitado por el elevado peso del rotor. Se adaptan muy bien a vientos de pequea velocidad. Su arranque se produce a partir de una velocidad del viento entre @ y B m8s.

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3otencias pequeas debido bsicamente a dos ra&ones6 usan vientos de ba#a velocidad (entre B y D m8s) y tienen un dimetro limitado por el peso del rotor debido al elevado n'mero de palas. Su campo de aplicación !undamentalmente se centra en las instalaciones de e*tracción y bombeo de agua. 3resentan un valor elevado del coe!iciente de par elevado para pequeos valores de velocidad especí!ica.

Aerogeneradores r2*idos En este tipo de aerogeneradores el n'mero de palas es pequeo. Su venta#a respecto a las eólicas lentas es que su potencia por  unidad de peso es mucho mayor, por lo que al ser ms ligeros pueden construirse generadores de un radio mucho mayor, así como situar el bu#e o punto de giro central del rotor a alturas mucho mayores y por consiguiente aprovechar el e!ecto de aumento de la velocidad del viento con la altura. En la actualidad se construyen eólicas con dimetros de rotor que alcan&an los C> m y con una potencia nominal de B /, lo que da una idea del rea de barrido del rotor. "as características principales son6 •

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5educido n'mero de palas, entre + y =, aunque los ms usados son de B palas. quinas ms ligeras que las eólicas lentas, y por lo tanto pueden construirse de mayor tamao. 5equieren una velocidad del viento para su arranque mayor que las eólicas lentas (entre = y A m8s). 3oseen un par de arranque menor.  4lcan&an su potencia nominal para velocidades del viento entre +@ y +A m8s. 4 partir de velocidades del orden de @A a B> m8s se produce la parada del rotor para evitar daos sobre la mquina. En los aerogeneradores rpidos, el valor m*imo del coe!iciente de potencia se sit'a en el entorno de 1p,=.

Se utili&an para la generación de energía eléctrica, pudiendo ser en sistemas aislados o conectados a la red. "os generadores utili&ados en sistemas aislados generalmente son ms pequeos (de B a A> /) que los que se conectan a la red eléctrica (de @A> a B>>> /).

N7)ero de *alas.

Di'erentes dis*osiciones seg7n el n7)ero de *alas

5otores monopala6 3ermite una mayor velocidad de rotación, reducción de masas y costes de material, en las palas, en la ca#a multiplicadora y en el generador. 0ienen el inconveniente de necesitar un equilibrado muy preciso con un contrapeso de compensación, y e*iste un mayor riesgo de desequilibrio aerodinmico y vibraciones con la aparición de cargas de !atiga. 0ambién aumenta la generación de ruidos. el orden del doble que un rotor tripala. 5otores bipala6 5educe el coste de material y equipos respecto del rotor tripala, pero presenta también la desventa#a respecto a éste ultimo de un mayor nivel de es!uer&os dinmicos. e !orma similar a rotor monopala se producen es!uer&os mecnicos originados por la variación del per!il de la velocidad del viento con la altura. 4dems estos rotores presentan respecto a los tripalas un mayor nivel de vibraciones y de ruido. 5otores tripala6 3resentan como principal venta#a la de un giro ms suave y uni!orme debido a las propiedades de su momento de inercia, por lo que se mnimini&a la inducción de es!uer&os sobre la estructura. 4dems gira a menor  velocidad que los rotores mono y bipala, disminuyendo así los es!uer&os de la !uer&a centrí!uga, el nivel de vibraciones y la producción de ruido. En la actualidad el rotor tripala es la con!iguración ms usada en turbinas eólicas rpidas dedicadas a la generación de electricidad.

Dis*osición del rotor con relación al (iento.

Di'erentes dis*osiciones con relación al (iento

5otor a sotavento6 Jo requieren ning'n tipo de dispositivo de orientación. Su desventa#a radica en los e!ectos de sombra de la góndola y de la torre sobre las palas del rotor con la consiguiente pérdida de potencia y aumento de tensiones de !atiga, adems, se pueden producir enrrollos en el cable conductor que transporta la energía producida por el generador situado en la góndola que gira libremente. 5otor a barlovento6 El viento incide primero sobre el palmo del rotor y posteriormente sobre la torre de sustentación, con lo cual se minimi&a el e!ecto de sombra sobre el rotor, y la aparición de vibraciones y es!uer&os de !atiga sobre las palas del rotor. Este tipo de disposición requiere un rotor ms rígido y ms ale#ado de la torre a !in de evitar inter!erencias entre lo labes del rotor y la torre debido a la !le*ión de los mismo por el es!uer&o de empu#e del viento. Este rotor, a di!erencia del rotor a sotavento, necesita un sistema de orientación que mantenga siempre el plano de giro de rotor orientado perpendicularmente a la dirección del viento.

+enta0a de los aerogeneradores r2*idos 'rente a los lentos •

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Son mucho ms ligeros y económicos a igualdad de dimetros, por lo cual se construyen con grandes dimetros (=> a C> m) y con rotores situados a elevadas alturas (hasta unos +>> m). isponiéndose de generadores eólicos de gran potencia (>,A a B /). $a que se pueden construir rotores que barran reas elevadas y bene!iciarse con el aumento de velocidad del viento con la altura. 5esisten me#or los es!uer&os provocados por las r!agas de viento.  4l tener menor n'mero de palas es ms !cil incorporar mecanismos que permitan el giro de las mismas alrededor de la torre para lograr regular la potencia de generación o proteger el rotor en caso de vientos muy !uertes.

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El empu#e a*ial debido a la acción del viento sobre el rotor parado es menor  en las eólicas rpidas que cuando est girando, no sucediendo esto en las lentas.  4l girar ms rpidas, el tamao y coste de la ca#a multiplicadora que acciona el generador eléctrico se reduce. En los grandes aerogeneradores la velocidad de rotación est en el rango de +A a A> rpm siendo la velocidad de la punta de la pala no mayor a ?AIDA m8s.

Krente a las venta#as citadas, la eólicas rpidas tienen el inconveniente de presentar un par o momento de arranque mucho menor que las eólicas lentas.

8I8!IOGRA#9A •

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Locumento en líneaM. isponible en6 http688es.-iFipedia.org8-iFi84erogenerador  L@? de abril de @>+=M.  Aerogenerador: Como funciona y tipos Locumento en líneaM. isponible en6 http688---.renovablesverdes.com8aerogeneradorIcomoI!uncionaIyItipos8 L@D de abril de @>+=M. Componenetes de un aerogenerador Locumento en líneaM. isponible en6 http688eI ducativa.catedu.es8==D>>+?A8aula8archivos8repositorio8+>>>8+>8html8@+Ncompo nentesNdeNunNaerogenerador.html L@D de abril de @>+=M. Energía eólica: Tipos de generadores eólicos y sus aplicaciones Locumento en líneaM. isponible en6 http688tiposIdeIenergia.blogspot.com8@>>?8>@8energaIelicaI tiposIdeIgeneradores.html L@ de abril de @>+=M.  Aerogenerador 

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Mecanismos para el aprovechamiento eólico: Las máquinas eólicas Locumento

en líneaM. isponible en6 http688---.monogra!ias.com8traba#osIpd!@8mecanismosI aprovechamientoIeolicoImaquinas8mecanismosIaprovechamientoIeolicoI maquinas.pd!  L@D de abril de @>+=M.

INROD$""I:N "a energía eólica es la energía obtenida del viento, es decir, la energía cinética generada por e!ecto de las corrientes de aire, y que es trans!ormada en otras !ormas 'tiles para las actividades humanas. "a energía eólica es un recurso abundante, renovable, limpio y ayuda a disminuir  las emisiones de gases de e!ecto invernadero al reempla&ar termoeléctricas a base de combustibles !ósiles, lo que la convierte en un tipo de energía verde. Sin embargo, el principal inconveniente es su intermitencia. En la actualidad, la energía eólica es utili&ada principalmente para producir  energía eléctrica mediante aerogeneradores.

"os aerogeneradores poseen diversas clasi!icaciones, pero sin embargo la ms utili&ada es la clasi!icación por la disposición de su e#e de rotación, la cual consta de dos tipos6 los de e#e vertical y los de e#e hori&ontal. "os aerogeneradores de e#e hori&ontal son los ms reconocibles y utili&ados para la generación de energía eléctrica a gran escala en la actualidad debido a su considerable e!iciencia, aunque también pueden ser utili&ados para instalaciones particulares, lo que demuestra su versatilidad. 1on la popularidad de las energías renovables creciendo debido a los problemas energéticos y ambientales que se avistan en el !uturo cercano debido al abuso sobre la utili&ación de combustibles !ósiles, estas instalaciones se han convertido en un símbolo de avance y armonía con el ambiente en todo el mundo.

"ON"!$SI:N "os aerogeneradores son la herramienta por e*celencia para el aprovechamiento de la energía eólica y entre todos los diversos tipos que e*isten destacan los de e#e hori&ontal, los cuales son por le#os los ms representativos de este tipo de mquinas. 4unque su principio de !uncionamiento es igual al de los aerogeneradores de e#e vertical, estos son ms utili&ados debido al hecho de que pueden captar las altas velocidades de vientos que se producen a las considerables alturas en las que son instalados. Oaciendo uso de cultura general se puede observar que estos aparatos, dentro de los que abarcan las energías alternativas, son algunos en los que se ha invertido mayor tiempo y dinero para su desarrollo tecnológico, hasta el punto de ser parcialmente autónomos, siendo capaces de detenerse automticamente o de noti!icar al personal de

mantenimiento en caso de que se presente alg'n desper!ecto. Es este tipo de generador el que se ha escogido para introducir la energía eólica al mundo como una alternativa seria a suplir a los combustibles !ósiles como !uentes de generación de energía eléctrica.

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AEROGENERADORES DE EJE HORIZONA!

A$OR 4JUE" 54:P 1.2. @>.DC?.A=+