El rotor de una turbina eólica


Por
Conrado Moreno Figueredo*

El rotor,
constituido por los álabes
y el buje, es el corazón
de una turbina eólica

El rotor es todo el conjunto de elementos de la turbina eólica que gira por delante y fuera
de la góndola. El más adecuado para producir energía eléctrica es el rotor tipo hélice. El rotor convierte la energía del viento en rotación y, por lo tanto, es el motor. En este trabajo se presenta la estructura de un rotor, se explica su operación y se comentan los elementos de control implícitos en él.

 

Álabes
Conocidos también como aspas o palas, los álabes son una parte imprescindible y fundamental en una turbina eólica. Realizan varias tareas y deben resistir grandes cargas
Los álabes toman la energía del viento, la capturan y la convierten en rotación en el buje. El perfil aerodinámico de los álabes es similar al perfil del ala de un avión. Los álabes emplean el mismo principio de la fuerza de empuje que actúa por la parte de abajo del ala. El aire produce una sobrepresión en la parte inferior y un vacio en la parte superior. Esta provoca una fuerza de empuje que hace que el rotor rote.

Número de álabes
Actualmente la mayoría de los rotores tienen tres álabes, son de eje horizontal y poseen diámetros entre 40 y 80 m. Además de los bien conocidos rotores de tres aspas, existen los de dos aspas o bipalas y de una sola pala, además de los multipalas empleados fundamentalmente en los pequeños aerogeneradores y en los molinos de viento para el bombeo de agua.

En el tiempo se ha demostrado que los rotores de tres palas son más eficientes en lo que respecta a la producción de energía en las grandes turbinas eólicas. Además, estos rotores permiten una distribución de masa más adecuada, lo que hace que la rotación sea más suave y tenga una apariencia de más tranquilidad visual. En definitiva, los rotores tripalas son los que se han impuesto por las razones anteriores.

Materiales
Uno de los aspectos más importantes en la exitosa fabricación de los álabes es la elección del material a emplear para su producción. Su vida útil depende, en gran medida, del material de que está fabricado.

Tradicionalmente, los materiales utilizados en la fabricación de palas han sido la madera, el acero, el aluminio y en los últimos años los materiales compuestos: poliéster o resina epóxica reforzado con fibra de vidrio o fibra de carbón. La madera sola o su combinación con resina epóxica es cada vez menos usada en la fabricación de aspas. Los álabes de aluminio y las aleaciones de acero son pesados y vulnerables a la fatiga. Estos materiales son, por lo tanto, generalmente solo usados en turbinas muy pequeñas. Los álabes deben ser de bajo peso y tener un comportamiento mecánico adecuado durante su vida útil y los materiales compuestos son los que cumplen todos estos requisitos, por eso se han impuesto.

Diseño y perfil
El diseño de un rotor de una turbina eólica se basa en el principio de definir la geometría más adecuada de los álabes para alcanzar el comportamiento deseado. Las aspas deben ser además fáciles de fabricar y tener una adecuada resistencia estructural, para resistir las altas cargas a que van a estar sometidas. El tipo de perfil aerodinámico es uno de los parámetros de diseño más importantes en el funcionamiento de las turbinas eólicas fabricadas para girar a alta velocidad.

Cada fabricante tiene su propio principio de diseño y lleva a cabo investigaciones para mejorar las características aerodinámicas de sus álabes. Los perfiles que se emplean usualmente son los mismos que se utilizan en la industria aeronáutica. Cada aspa tiene su geometría particular y son diferentes unas de otras según el fabricante. La potencia desarrollada por una turbina depende en gran medida de la geometría de sus álabes. En general, su fabricación se asemeja a la del ala de un avión.

Buje
El buje es el componente del rotor que une las palas con el sistema de rotación y constituye el centro del rotor, al cual se fijan los álabes. El buje se fabrica de hierro o acero fundidos.

El buje transmite la energía desde el rotor hasta el generador. Si la turbina eólica posee caja multiplicadora, el buje se conecta al árbol de baja velocidad de la caja multiplicadora, convirtiendo la energía del viento en energía rotacional. Si la turbina es de conexión directa, el buje transmite la energía directamente al generador.


Buje de una turbina eólica.


El buje puede ser de tipo rígido o basculante. En el buje rígido el conjunto de álabes se atornilla al buje y este se fija rígidamente al eje de giro. Se usa más en los rotores de tres palas, en los que el rotor está mejor equilibrado. Los bujes basculantes se emplean para reducir las cargas que se producen sobre el buje. Este tipo de buje se emplea mayoritariamente en los rotores bipalas, ya que el pivoteo hace que se equilibren las cargas en cada revolución. La mayoría de los fabricantes usan el buje rígido; esto lo hace más resistente, reduce el número de componentes móviles que pueden fallar y es relativamente fácil de construir.

Regulación de potencia
El sistema de regulación de potencia se encuentra insertado en el rotor y en particular en sus álabes. La potencia que una turbina eólica absorbe tiene que ser controlada. Si el viento es muy fuerte, la potencia es reducida para prevenir daños al sistema. Esta regulación se realiza en el rotor. Básicamente, hay dos principios de regulación de potencia.

Regulación por entrada en pérdida aerodinámica pasiva (regulación por separación del flujo)
Se conoce también como sistema de control danés por su procedencia. En este caso los álabes están rígidamente fijados al buje y no cambian su ángulo de posición. Cuando el viento es demasiado fuerte el generador asincrónico limita la generación de potencia automáticamente. Su velocidad de rotación es restringida por la frecuencia de la red eléctrica, de esta forma el rotor no puede girar más rápido cuando la velocidad es más fuerte. En este concepto, los álabes del rotor se diseñan para que ocurra la separación del flujo a una cierta velocidad del viento (stall), reduciéndose la potencia. En este caso se le llama regulación por entrada en pérdida pasiva (passive stall, en inglés).

Cuando el viento alcanza la velocidad máxima de diseño, la automática del aerogenerador procederá a frenar la turbina, haciendo rotar por un mecanismo especial los extremos de las palas, conocido por freno aerodinámica, y provoca un fuerte frenado aerodinámico. Una vez que la velocidad de la turbina se ha reducido en grado suficiente, se completa su frenado hasta la parada e inmovilización, aplicando un freno mecánico de disco que forma parte del tren de fuerza del aerogenerador.

Regulación por cambio de paso del álabe
Se entiende por paso el ángulo de posición de la pala. Este concepto de control se desarrolló entre 1990 y 2000, posterior al sistema danés anterior. En este caso, cada álabe individualmente puede girar sobre su eje. El accionamiento que ajusta el paso puede ser mecánico (en los sistemas de menos de 100 kW), hidráulico (más de 300 kW) o eléctrico (es el más común, especialmente para las grandes turbinas mayores de
500 kW).

Un sistema de control monitorea la potencia que entrega la turbina. Si el viento es demasiado fuerte, los álabes se hacen girar contrario a la dirección del viento, generalmente algunas fracciones de grado. Esto reduce la sustentación o empuje, de forma que el rotor continúa generando su potencia nominal aunque las velocidades
del viento aumenten.

Existe también la regulación por entrada en pérdida activa o active stall, que es una combinación de los dos métodos anteriores, pues se trata de una turbina diseñada para regulación por entrada en pérdida, pero dotada de paso variable. Este último control es usado principalmente en las grandes turbinas mayores que 1 MW. El active stall permite que la potencia sea regulada con más precisión que en la regulación por pérdida pasiva.

* 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