Clasificación Detallada de Aerogeneradores Eólicos
Los aerogeneradores se clasifican según diversos criterios técnicos y operativos:
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Potencia:
- Micro-aerogeneradores
- Mini-aerogeneradores
- Baja potencia
- Media potencia
- Alta potencia
- Muy Alta potencia
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Disposición del Eje del Rotor:
- Eje horizontal
- Eje vertical
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Posición del Rotor Respecto al Viento:
- A barlovento
- A sotavento
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Número de Palas:
- Monopala
- Bipala
- Tetrapala
- Multipala
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Configuración del Tren de Potencia (Solo Aerogeneradores):
- Configuración “Tradicional” o con Multiplicadora: El generador consta de pocos pares de polos y es necesaria una multiplicadora para aumentar las revoluciones del rotor.
- Configuración Multipolo (Direct Drive): El generador consta de muchos pares de polos y la multiplicadora desaparece del tren de potencia.
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Velocidad de Giro del Rotor:
- Velocidad fija
- Velocidad semifija
- Velocidad variable
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Velocidad Característica:
- Máquinas lentas
- Máquinas rápidas
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Sistema de Regulación de Potencia:
- Paso fijo o “STALL”
- Paso variable:
- “PITCH CONTROL”
- “ACTIVE STALL”
Principios Aerodinámicos de las Palas
Las palas están torsionadas para que el ángulo de ataque (AoA) se mantenga constante a lo largo de toda su longitud. Hay que tener en cuenta que la velocidad del viento (V) es constante en toda la pala, pero la velocidad de ataque real (W) es la suma vectorial de esta velocidad del viento (V) más la velocidad tangencial que la pala lleva debido a su giro (U).
Dado que la velocidad tangencial (U) aumenta con el radio, la velocidad de ataque real (W) tendrá un módulo y un AoA distinto en cada sección de la pala. Una pala normal está alabeada unos 15° aproximadamente.
Componentes Estructurales de un Aerogenerador
Identificación de componentes:
- Cono o nariz
- Buje
- Pala
- Rodamiento de pala
- Sistema de accionamiento de pala (Pitch System)
- Rodamiento principal
- Eje principal
- Multiplicadora
- Generador
- Estación meteorológica
- Barquilla o góndola
- Cuadro de control de la barquilla
- Sistema de orientación (Yaw System)
- Rodamiento de orientación
- Freno de servicio
- Junta rotativa
- Cuadro de control del buje
- Freno de orientación
Configuración del Tren de Potencia: Con o Sin Multiplicadora
Ventajas e Inconvenientes de la Configuración sin Multiplicadora (Direct Drive)
Ventajas:
- Se elimina un elemento, por lo tanto, es más eficiente y más fiable.
- El mantenimiento es más económico.
Inconvenientes:
- Necesita generadores mucho más pesados y costosos que el equivalente de pocos polos de las máquinas que montan multiplicadora.
Misión de la Multiplicadora
La misión de la multiplicadora es aumentar las revoluciones del rotor para acomodarlas a la alta velocidad del generador, dado que los generadores de este tipo de máquinas tienen un bajo número de polos.
Generación de Energía en Aerogeneradores sin Multiplicadora
Estos aerogeneradores, al no contar con multiplicadora, necesitan montar generadores con un alto número de polos. Sin embargo, como estas máquinas operan a velocidad variable, no requieren un número exagerado de polos para que la frecuencia coincida exactamente con los 50 Hz. Basta con que la frecuencia esté entre unos márgenes más bajos para que la conversión resulte eficiente, pero necesitan convertidores de frecuencia para el 100% de la energía generada.
Ejemplos de Fabricantes:
- Con Multiplicadora: ACCIONA WINDPOWER, NORDEX, GAMESA
- Sin Multiplicadora (Direct Drive): MTorres, ENERCON, SIEMENS
Mecanismos para Aumentar la Velocidad del Rotor
El rotor puede ganar velocidad mediante dos formas principales:
- Aumento de la Velocidad del Viento (V): Si el viento V aumentase, el Ángulo de Ataque (AoA) aumentaría, generando más Coeficiente de Sustentación (CL) y más sustentación, consiguiendo que la resultante de fuerzas en el eje de par impulse la rotación.
- Reducción del Ángulo de Paso (Pitch): Si el viento V no aumenta, pero se desea que el AoA aumente, se podría conseguir reduciendo el ángulo de paso (I). Para mantener la relación aerodinámica, el AoA debe ser mayor, lo que incrementa la velocidad del rotor.
Comparativa de Sistemas de Regulación de Potencia
Velocidad Fija – Regulación STALL (Paso Fijo)
Ventajas:
- Económico.
- Sencillo.
Inconvenientes:
- Pérdida de producción tanto en regímenes bajos como en altos.
- Oscilación en la potencia entregada, resultando en mala calidad de onda.
- Cargas mecánicas que limitan el tamaño de la máquina (para potencias ≤ 500 kW).
- No permite regular potencia reactiva.
Velocidad Fija – Regulación PITCH CONTROLADO (Paso Variable)
Ventajas:
- Aumenta la producción para vientos altos.
- Reduce las cargas mecánicas.
Inconvenientes:
- Oscilación en la potencia entregada, resultando en mala calidad de onda.
- Requiere un control preciso y, por lo tanto, es más caro.
- No permite regular potencia reactiva si el generador es asíncrono.
Velocidad Variable – Regulación STALL
Ventajas:
- Aumenta la producción para vientos bajos y medios.
- El par se amolda a las condiciones del viento.
- Permite regular potencia reactiva.
Inconvenientes:
- Como todo sistema STALL, presenta pérdida de producción a velocidad alta: no se puede mantener la potencia nominal por encima de la velocidad nominal.
- Siguen apareciendo cargas mecánicas, aunque de menor entidad que en máquinas de velocidad fija.
- Crece el coste debido al convertidor.
Velocidad Variable – Regulación PITCH CONTROLADO
Ventajas:
- Buena producción para todo el rango de velocidades de viento.
- Mínimas cargas mecánicas.
- Buena calidad de la potencia inyectada a red: permite regular potencia reactiva.
Inconvenientes:
- Es necesario un control extremadamente preciso.
- Necesidad del convertidor (aunque es más pequeño, del orden de 1/3 de la potencia del generador).