Componentes de una turbina eólica de eje horizontal

Por
Conrado Moreno Figueredo*


Breve guía de los principales elementos que conforman los aerogeneradores actuales.

Para estudiar los componentes de una turbina eólica es necesario conocer primeramente el tipo de turbina, que se clasifica de acuerdo con varios criterios, entre los que se encuentra la posición del eje de rotación, que puede ser vertical u horizontal.
Las turbinas eólicas de eje horizontal (TEEH) son las más comunes y se dividen a la vez en aquellas en las que el rotor gira frente a la torre (barlovento) y las que rotan detrás de la torre (sotavento).

 


Una TEEH a barlovento se muestra en la figura 1, como las que se instalan en la mayoría de los parques eólicos. Estas máquinas se componen de cimiento (1), torre (2), góndola con tren de fuerza (3), rotor (5), álabes (4) y el equipamiento eléctrico. Además, en la figura no se muestra el transformador, que no forma parte de la turbina pero constituye un elemento que no puede faltar en una instalación de este tipo, pues convierte la tensión o voltaje que entrega el generador eléctrico de la turbina a la red eléctrica.


Fig. 1. Estructura típica de un
aerogenerador moderno de gran potencia.

Torre y cimiento
Para garantizar la estabilidad de una turbina eólica se construyen los cimientos, que pueden ser superficiales o profundos. El tipo de cimentación depende de la consistencia del suelo donde se va a instalar la máquina.

La torre se construye no solo para resistir el peso de la góndola y de los álabes del rotor, sino también debe absorber las cargas causadas por la variación de potencia del viento.
Existen varios tipos de torres, como las que se describen a continuación:

• Torres tubulares de acero. La mayoría de los grandes aerogeneradores se construyen con torres tubulares de acero, fabricadas en secciones de 20-30 m con bridas en cada uno de los extremos, y son unidas con pernos in situ. Las torres son tronco-cónicas (es decir, con un diámetro creciente hacia la base), con el fin de aumentar su resistencia y al mismo tiempo ahorrar material.
• Torres de concreto. Se construyen en el lugar y están limitadas por la altura, la que decide sobre esta solución. Evitan el problema de la transportación.
• Torres de concreto prefabricado. En este caso los segmentos son colocados en la parte superior de uno sobre el otro in situ.
• Torres de celosía. Son fabricadas utilizando perfiles de acero. La ventaja básica de estas torres es su costo, ya que solo requiere la mitad de material de una torre tubular sin sustentación adicional y con la misma rigidez. La principal desventaja es su apariencia visual (aunque esa cuestión es claramente debatible). En cualquier caso, por razones estéticas, las torres de celosía han desaparecido prácticamente en los grandes aerogeneradores modernos. Son muy comunes en la India, aunque se encuentran en otros países, como los Estados Unidos y Alemania
• Torres híbridas. Algunas torres son construidas con combinaciones de las antes mencionadas; por ejemplo, la parte inferior de concreto y la superior de acero. Hay tendencias a usar este tipo de torre en los grandes aerogeneradores multimegawatt.
• Torres de mástil tensado con vientos. Muchos de los aerogeneradores pequeños están construidos con torres de mástil sostenidas por cables tensores. La ventaja es el ahorro de peso y, por lo tanto, de costo. Pueden ser izadas sin necesidad de grúas.

La altura de las torres fabricadas para los aerogeneradores actuales varían según se expone en la tabla 1.

Tabla 1. Altura de las torres en dependencia
de la potencia nominal y del diámetro del rotor

Rotor
El rotor es el componente que ayuda a los álabes o palas del rotor a convertir la energía del viento en movimiento mecánico rotacional. El rotor está compuesto por los propios álabes y el buje (elemento que une los álabes con el árbol principal mediante el cojinete principal). El buje es el centro del rotor y se fabrica de hierro o acero fundido.
Si el aerogenerador tiene caja multiplicadora, el buje se conecta directamente al eje de baja velocidad de la caja multiplicadora y convierte la energía del viento en energía en rotación. Si la turbina no posee caja multiplicadora, la energía se transmite directamente al generador.

Actualmente la mayoría de los rotores tienen tres palas, un eje horizontal y un diámetro entre 40 y 90 m. Los rotores de molinos de viento tradicionales para el bombeo de agua emplean 16 palas o más (llegando a tener hasta 30) y se fabrican de metal.
La experiencia ha demostrado que el rotor de tres palas es más eficiente para la generación de energía en las grandes turbinas. Además, los rotores de tres palas tienen una mejor distribución de masa, lo que permite una rotación más estable.

Los álabes del rotor son fabricados fundamentalmente de fibra de vidrio o fibra de carbón reforzado con plástico, conocidos como FVRP o FCRP. Las palas de madera, madera y resina epóxica o madera-fibra-resina epóxica son ya poco empleadas.
Las palas de aluminio y aleaciones de acero son muy pesadas y vulnerables a la fatiga del material. Por esta razón, estos materiales se emplean solo en las turbinas eólicas muy pequeñas.

El perfil de los álabes es similar al de las alas de los aviones. Ellos realizan su función mediante el mismo principio de la fuerza de empuje: sobre la parte inferior del ala el viento pasa y genera una alta presión, mientras que por la parte superior se genera una baja presión. Esta fuerza, además de la fuerza de resistencia, provoca que el rotor gire. Cada fabricante de palas las fabrica según su concepción y con sus propias características.

Góndola y tren de fuerza
La góndola soporta toda la maquinaria de la turbina y debe ser capaz de rotar para seguir la dirección del viento, por lo que se une a la torre mediante rodamientos. El diseño de la góndola depende de cómo el fabricante decidió ubicar los componentes del tren de fuerza (eje del rotor con los cojinetes, caja multiplicadora, generador, acoplamiento y freno).

Caja multiplicadora
La caja multiplicadora es un multiplicador de velocidad que convierte el movimiento rotacional de 18-50 rpm del rotor en aproximadamente 1 750 rpm con que rota el generador. La velocidad de giro del generador depende de la frecuencia de la corriente eléctrica y del número de pares de polos de la máquina.


Fig. 2. Multiplicador planetario tipo A para un aerogenerador de 5 MW.

La caja multiplicadora tiene la tarea de acoplar las bajas velocidades de rotación del rotor y las altas velocidades del generador, y soportar las amplias variaciones de la velocidad del viento.

La relación de transmisión del multiplicador está determinada por su tren de engranajes, constituido en los aerogeneradores actuales por ruedas dentadas cilíndricas —de ejes paralelos—, cuyos dientes al engranar vinculan sus frecuencias de rotación. Los diseños actuales se basan en dos tipos de trenes de engranaje básicos: el tren planetario A y el tren tándem (Figs. 2 y 3).


Fig. 3. Estructura de un tren tándem.


Algunas firmas importantes utilizan multiplicadores híbridos cuyas dos primeras etapas constituyen un tren planetario que se combina con una tercera etapa tándem.
Si se emplea un generador de anillo multipolo, desarrollado especialmente para el uso en turbinas eólicas, no se requiere de caja multiplicadora.


Fig. 4. Tren de fuerza.


A estas turbinas se les conoce como turbinas sin caja multiplicadora o de conexión directa, y el fabricante más conocido es ENERCON, de Alemania

Generador
El generador de una turbina convierte la energía mecánica en energía eléctrica (Fig. 4). Para turbinas de gran potencia, los generadores asincrónicos doble alimentados se emplean con mayor frecuencia. En este caso, la velocidad de rotación puede ser variada, diferente a cuando se usan generadores asincrónicos convencionales. Otro concepto consiste en emplear generadores sincrónicos.

Hay diferencias entre los generadores sincrónicos y asincrónicos. Los últimos se emplean más, ya que pueden conectarse directamente a la red y son más robustos y de menor mantenimiento. Un generador sincrónico de velocidad constante conectado a la red presenta problemas técnicos muy difíciles de eliminar. Por lo anterior, actualmente no existen generadores sincrónicos de velocidad constante, sino de velocidad variable.
Éste no se puede conectar directamente a la red de corriente alterna con frecuencia constante, por lo que es preciso utilizar un convertidor de frecuencia como elemento intermedio entre el generador y la red. Esta desventaja de tener que utilizar un complicado sistema adicional para la sincronización se compensa con una mayor eficiencia de la turbina y una mejor compatibilidad con la red.

Los generadores de anillo multipolo que trabajan sin caja multiplicadora ya fueron mencionados anteriormente.

Acoplamiento y frenos
Entre el generador y la caja multiplicadora se instala un acoplamiento que suele ser flexible. Igualmente se emplean frenos mecánicos en el tren de fuerza.

Generalmente hay dos tipos de frenos: los sistemas de freno aerodinámico y los sistemas mecánicos. Las normas que usualmente se usan en el diseño de aerogeneradores indican que los aerogeneradores deben poseer dos sistemas de freno independientes: uno aerodinámico (en la punta de los álabes o todo el alabe del rotor por sí mismo cambiando su ángulo de paso) y otro freno. Este último es generalmente un freno de disco mecánico en la mayoría de las turbinas. Este tipo de freno mecánico se emplea principalmente cuando el aerodinámico falla o la turbina está en reparación (Fig. 5).

El tipo de freno mecánico que se utiliza depende de cómo se controla la potencia.

 
Fig. 5. Freno aerodinámico de
una pala de turbina, en posición activada.

En turbinas con control por pérdida aerodinámica (stall control), el freno mecánico tiene que asimilar toda la energía generada por el rotor y el generador en caso de emergencia, por lo que debe tener una alta potencia de frenado. Todo lo contrario sucede cuando el freno mecánico se usa en turbinas con álabes de rotores con paso variable (en este caso son de menor potencia).

Equipamiento eléctrico
El equipamiento eléctrico de una turbina eólica está compuesto por el generador, el sistema de alimentación a la red y varios sensores. Estos últimos se emplean para medir temperatura, dirección del viento, velocidad del viento y otros parámetros que pueden aparecer dentro de la góndola o en los alrededores, por lo que apoyan el control de la turbina y su monitoreo.

Sistema de alimentación de electricidad a la red eléctrica
El sistema para la alimentación de electricidad a la red depende del generador eléctrico empleado: la mayoría de los modernos aerogeneradores en la categoría de megawatt usan generadores asincrónicos de inducción conectados a la red rotando a velocidad aproximadamente constante y con conexión directa a la red. Esto significa que no se necesitan rectificadores ni inversores.

En las turbinas de velocidad variable con generadores sincrónicos la corriente alterna generada fluctúa constantemente su frecuencia. Para entregar la electricidad a la red, ésta es convertida en corriente directa mediante un rectificador, filtrada y después convertida de nuevo en corriente alterna usando un inversor.

En ambos tipos de generadores el voltaje es entonces convertido para adaptarlo al nivel del voltaje en la red usando un transformador; de esta forma el aerogenerador con un contador de electricidad es conectado a la red (Fig.6).


Fig. 6. Cimentación y transformador de una turbina eólica.

Sensores para el control y monitoreo del generador
La góndola posee sensores o instrumentos de medición que constantemente están midiendo los parámetros siguientes: velocidad (anemómetro) y dirección del viento (veleta), velocidad del rotor y del generador, temperatura ambiente y de los componentes, presión del aceite, ángulo de paso y acimut (ángulo del mecanismo de orientación basado en la dirección del viento), magnitudes eléctricas y vibraciones en la góndola (Figs. 7 y 8).
Estos datos son usados para el control del generador. Por ejemplo, la dirección del viento es transmitida directamente al mecanismo de orientación que hace que el rotor siga al viento, mientras que la medición de la velocidad del viento permite operar, conectar o desconectar el generador. Los sensores, la lectura y el análisis de estos datos controlan el aerogenerador y ofrecen las bases para una correcta gestión operacional.


Fig. 7. Anemómetro de copas.


Fig. 8. Veleta.

Otros componentes
Finalmente, la turbina eólica contiene otros componentes no incluidos en los tópicos anteriores: sistemas para seguir la dirección del viento o sistemas de orientación, elementos para enfriamiento y calentamiento, equipamiento para la protección contra descargas eléctricas, grúas y elevadores, y extintores de fuego.

Sistemas de orientación
El objetivo de estos sistemas es colocar el rotor de las turbinas en un ángulo óptimo con respecto al viento. En general, las turbinas eólicas de eje horizontal emplean dos sistemas, el pasivo y el activo.

• Los sistemas pasivos no necesitan motores eléctricos. Las turbinas cuyo rotor está detrás de la torre (sotavento) siguen al viento automáticamente, mientras que las turbinas a barlovento poseen una veleta. Estas veletas se emplean desde hace muchos años en los molinos de viento tradicionales para el bombeo de agua. En este caso, la dirección del viento es determinada de una forma muy sencilla. Las fuerzas que actúan sobre la veleta cuando la dirección del viento cambia repentinamente están limitadas por el tamaño de la veleta, por lo que estos sistemas son empleados en turbinas cuyo diámetro del rotor no exceda 10 m, aproximadamente.

• Los sistemas activos son usados fundamentalmente a barlovento. En este caso un mecanismo activamente gira la góndola sobre la torre. Tales sistemas activos fueron usados ya en el siglo xviii en los molinos europeos. Actualmente estos mecanismos de orientación o motores acimut son más comúnmente empleados movidos por un solo motor eléctrico o por varios motores al mismo tiempo. Una veleta o rumbómetro sobre la góndola provee la información necesaria al sistema de orientación. Los motores actúan sobre la rueda de engranaje que mueve la góndola a su posición óptima cuando son movidas por los motores (Fig. 9).


Fig. 9. Sistema de orientación.

Enfriamiento y calentamiento
La temperatura dentro de una góndola puede ser alta por el calor desprendido de la caja multiplicadora y del generador. Por ello se instalan ventiladores especiales en la góndola para mantener una temperatura adecuada. Además de esto se instalan unidades de enfriamiento para componentes individuales de la turbina, como la caja multiplicadora.
Durante el invierno, en los países fríos, las temperaturas suelen caer por debajo de la temperatura de congelación.

Cuando el aceite en la caja multiplicadora se congela resulta imposible echar a andar el sistema si éste se mantiene sin movimiento durante algún tiempo. Por lo tanto, se emplean a menudo calentadores para que mantengan el aceite a una temperatura adecuada en la caja multiplicadora. Adicionalmente, los álabes del rotor son también calentados para prever que no se forme hielo sobre ellos o sean dañados por el agua condensada. Finalmente, los anemómetros y veletas direccionales tienen también que ser calentados en las regiones frías para evitar que dejen de funcionar y provoquen daños mayores en la turbina.

Protección contra descargas eléctricas
Los aerogeneradores son estructuras altas que están por lo general expuestas a las descargas eléctricas y son, por lo tanto, muy vulnerables a estos fenómenos.
Las descargas eléctricas generalmente inciden sobre las puntas de los álabes del rotor.
Se emplean diferentes soluciones para absorber estas descargas en los álabes.
La corriente proveniente del rayo pasa entonces a lo largo del alabe por su interior a través de metales conductores, posteriormente pasa sobre la góndola para después ser dirigida hacia abajo por la torre hasta el anclaje terrestre. La corriente es desviada de las áreas altamente sensibles.

Grúas y elevadores
La mayoría de las turbinas eólicas poseen elevadores para llevar piezas de repuesto y herramientas dentro de la góndola. Allí también se emplean otros elementos transportadores, como grúas de diferentes tipos para el traslado de piezas, partes y herramientas.

Extintores de fuego
Los extintores de fuego se adicionan a la turbinas para combatir cualquier incendio que pueda ocurrir en las partes mecánicas o electrónicas. Por lo general, los extintores son tanques manuales, aunque también se emplean detectores y extintores de fuego automáticos.

* Doctor en Ciencias Técnicas.
Miembro de la Academia de Ciencias de Cuba
y de la Junta Directiva de CUBASOLAR.
e-mail:conrado@ceter.cujae.edu.cu