Si los sistemas fotovoltaicos, por lo general, son muy parecidos unos con otros, o son prácticamente iguales, los pequeños aerogeneradores se caracterizan por su gran variedad, con diferentes formas y tamaños. Sin embargo, en los últimos tiempos han ido cambiando hacia una configuración común. Si bien pueden parecer distintos, en realidad son muy similares.
Muchos pequeños aerogeneradores trabajan aislados de la red (Fig. 1). Antes que todo, hay que recordar que la tecnología de los aerogeneradores que trabajan aisladamente es diferente a la tecnología que se emplea para las turbinas eólicas conectadas a la red.
Las diferencias entre ambas tecnologías afectan todas las partes o subsistemas.
Los pequeños aerogeneradores no conectados a la red se emplazan ahí donde existe una cierta necesidad de energía eléctrica y la demanda que se debe satisfacer está dada por la aplicación para la cual ha sido seleccionado el aerogenerador.
Para los aerogeneradores conectados a la red se selecciona el mejor emplazamiento factible y no hay limitación en la energía generada, excepto alguna limitación de potencia impuesta por la misma red eléctrica.
En un trabajo realizado en el 2006, en el Nordic Folkecenter for Renewable Energy, de Dinamarca, se llegó a la conclusión de que hay 218 modelos de pequeños aerogeneradores presentes en el mercado, producidos por 88 fabricantes de 27 países. Según las potencias nominales de estas pequeñas turbinas eólicas, los modelos existentes son:
De los pequeños aerogeneradores analizados en dicho estudio, el aerogenerador de mayor potencia es de
40 000 W y 12 m de diámetro. El más pequeño es de 5 W y 0,53 m de diámetro. Los más grandes también se ofertan para ser conectados a la red.
La mayoría de los pequeños aerogeneradores presentes en el mercado son de eje horizontal de cara al viento o a barlovento (reciben el viento de frente) y poseen los siguientes subsistemas: rotor, generador eléctrico, sistema de frenado, sistema de orientación, sistema de regulación de velocidad de giro y torre soportante. También los hay de eje vertical, con sus ventajas y desventajas, y con varias formas, pero en mucha menor cuantía. |
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Tabla 1. Modelos de
pequeños aerogeneradores,
según su potencia nominal
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Rotor
El rotor es de tipo hélice. En la tecnología actual el rotor más frecuente es el de dos y tres palas, aunque los hay hasta de seis palas con soluciones intermedias de tres, cuatro y cinco palas. Es decir, la mayoría de los modelos existentes son tripalas y bipalas. La única ventaja de los rotores bipalas es que el precio inicial es más bajo, pero los tripalas trabajan más uniformemente y por consecuencia duran más. Mayores números de palas se corresponden con turbinas eólicas de potencia nominal menor de 250 W. La mayoría de los pequeños aerogeneradores emplean materiales compuestos para la fabricación de las palas. El material más usado es la fibra de vidrio reforzada con poliéster. Una última tendencia es el uso de la fibra de carbón. Algunas se fabrican de madera.
Generador eléctrico
La mayoría de los modelos existentes emplean conexión directa entre el rotor y el generador eléctrico, o sea, no poseen caja multiplicadora, aunque no están ausentes en la totalidad de los modelos (Fig. 2).

Fig. 2. La mayoría de los aerogeneradores pequeños
emplean conexión directa entre el rotor y el generador eléctrico.
La tendencia más generalizada en los pequeños aerogeneradores es a la utilización de generadores síncronos de imanes permanentes (PMG) en todo el rango de potencias existente, aunque los de menor potencia emplean casi exclusivamente generadores de imanes permanentes.
Este generador es el más simple, eficiente y más robusto, y suelen tener 4, 6, 8 o 10 polos. La mayoría produce corriente alterna trifásica para hacer un mejor uso del espacio dentro de la carcasa del generador.
Es común el uso del diseño invertido, en el cual la carcasa gira por fuera del estator unida al rotor.
Existen modelos que emplean los generadores de inducción, presentes en los grandes aerogeneradores conectados a la red.
Sistema de orientación
Todos los aerogeneradores de eje horizontal tienen un cojinete alrededor del cual gira y se coloca de frente al viento. A la línea vertical que pasa por este cojinete se le conoce como eje de orientación. Debido a las pequeñas dimensiones, los pequeños aerogeneradores no tienen espacio para instalar los mecanismos de transmisión y los motores eléctricos que orientan al rotor de frente al viento, presentes en los grandes aerogeneradores. Por esto, el sistema de orientación de estos pequeños aerogeneradores es por veleta de cola, excepto en los modelos a sotavento (o de espalda al viento), que no la necesitan (Fig. 3). Aparecen las veletas tanto de forma recta horizontal, como elevada con respecto al eje de rotación del rotor.

Fig. 3. El sistema de orientación de casi todos los aerogeneradores
pequeños es por veleta de cola.
La veleta se coloca al final de un brazo. Ésta captura el viento y aparece una fuerza lateral resultante sobre la veleta, que actúa sobre el brazo que hace girar la máquina sobre el eje de orientación para colocarla de frente al viento. El momento producido por la veleta es simplemente la fuerza lateral multiplicada por la longitud del brazo. La fuerza lateral depende del área de la veleta y de la velocidad del viento al cuadrado. Como regla simple se puede asumir que la longitud del brazo debe ser igual a la longitud de la pala del rotor. El área de la veleta no debe ser menor que 3% del área de barrido del rotor (Fig. 4).

Fig. 4. El área de la veleta no debe ser menor
que 3% del área de barrido del rotor.
Sistema de frenado
Reconocer que se necesita un sistema que detenga el aerogenerador no es prudente.
El aerogenerador debe estar diseñado para que trabaje todo el tiempo mientras el viento sea capaz de moverlo. Es suficiente con aceptar que el aerogenerador no trabajará en los períodos de baja velocidad (calma). El problema es que puede aparecer una pérdida de balance del rotor o un fallo eléctrico y en esos casos se necesita una parada de emergencia. También cuando se necesita izar o desmontar la turbina de la torre en un día ventoso, el rotor debe ser detenido. Entonces, todo aerogenerador debe poseer un subsistema que asegure la parada del rotor. Este subsistema consiste en un mecanismo capaz de reducir la velocidad del rotor hasta detenerlo totalmente a una velocidad del viento máxima, que es especificada por el fabricante.
Aunque la mayoría de los pequeños aerogeneradores emplean sistema de frenado, algunos fabricantes no lo incluyen, por lo que no debe resultar raro encontrar algún modelo sin sistema de frenado.
Los sistemas de frenado más empleados son: mecánico, aerodinámico, pala a posición bandera, desorientación, cabeceo y cortocircuito de generador. La mayoría emplean doble sistema de frenado: el primero es de tipo mecánico o colocando la pala en posición bandera (paralela al viento), y el segundo freno generalmente es de tipo mecánico, aerodinámico o por cortocircuito eléctrico del generador.
Sistema de regulación de la velocidad de giro
No resulta económico instalar un gran generador eléctrico que sea capaz de convertir en electricidad toda la potencia contenida en las altas velocidades del viento. Entonces, esta potencia que no puede ser absorbida provoca sobrevelocidades de giro que traen como resultado excesivas altas fuerzas centrífugas e indeseables ruidos y vibraciones; en fin, condiciones de trabajo peligrosas. Si el rotor tiene un diámetro mayor que un metro, esta sobrevelocidad debe evitarse. Por lo general, todos los aerogeneradores, tanto grandes como pequeños, poseen un medio para controlar el rotor expuesto a fuertes vientos, es decir, todos poseen algún medio para prevenir que se supere la velocidad límite de rotación de diseño y lo mantenga dentro de los límites de diseño.
Existen varias soluciones para controlar la velocidad de giro en los pequeños aerogeneradores.
Regulación por desorientación: El rotor se pliega en el plano horizontal con respecto a la dirección del viento y el rotor gira hacia la cola. El flujo de viento a través del rotor se ve reducido por la disminución del área que enfrenta a éste al ponerse el rotor de lado.
De esta forma la potencia que se extrae del viento es reducida. Éste es el sistema empleado en los molinos de viento multipalas, usados en el bombeo de agua.
Regulación por cabeceo: El rotor se pliega igual al caso anterior, pero en el plano vertical, es decir, el rotor se mueve verticalmente. El efecto es el mismo; el área de enfrentamiento del rotor se reduce en función de la magnitud de la velocidad del viento.
En ambos casos, cuando la velocidad del viento aumenta, la fuerza de empuje axial sobre el rotor también aumenta; cuando esta fuerza alcanza el valor que hace activar el mecanismo de desorientación, el aerogenerador se ubica en una posición no perpendicular al viento, lo que limita la velocidad de giro y la potencia entregada.
En un caso el movimiento del rotor es horizontal y en el otro vertical (por cabeceo).
Regulación por cambio de paso: Es un sistema similar al empleado en los grandes aerogeneradores, pero con la diferencia de que los pequeños usan sistemas de cambio de paso pasivos, en los que la variación del ángulo de paso de las palas se produce mediante mecanismos centrífugos. El ajuste del ángulo de la pala cambia el ángulo de ataque y se reduce la fuerza de sustentación sobre la pala.
Regulación por pérdida aerodinámica: Este sistema es igual al utilizado en los grandes aerogeneradores.
Sin regulación: En este caso el aerogenerador se diseña para soportar las cargas que se produzcan en todas las condiciones de operación, incluidas las velocidades de giro que puedan presentarse en funcionamiento en vacío. Es común ver esta solución en los aerogeneradores más pequeños.
Los sistemas más comunes son por cabeceo de la turbina eólica y por cambio de paso pasivo.
Torre
Las torres más encontradas son las autoportantes y las atirantadas o con tensores, las tubulares y las de celosía. Los tensores son generalmente indeseables por ser vulnerables a accidentes y daños; además, no son agradables a la vista. Las torres autoportantes son las más preferidas, pero están sometidas a mayores tensiones, son más pesadas y más caras que las atirantadas. Finalmente, la más frecuente es la tubular con tensores. Estas deben ser capaces de resistir las fuerzas máximas que aparecen durante el izaje y las tormentas (Fig. 5).

Fig. 5. Las torres más frecuentes son las autoportantes y las atirantadas
o con tensores (A), las de celosía (B) y las tubulares (C).
Es común que el fabricante ofrezca diferentes tipos de torres, para su selección de acuerdo con las características de la instalación. La altura de la torre también es ofrecida en diferentes tamaños para que sea seleccionada adecuadamente.
Aerogenerador típico
Si se analizan todas las variantes de aerogeneradores que actualmente se ofrecen en el mercado, se llega a la conclusión de que el aerogenerador de pequeña potencia más común en el mercado es una máquina eólica con las características siguientes:
• Rotor de tipo hélice de eje horizontal con tres palas de frente al viento (a barlovento).
• Unido directamente (sin caja multiplicadora) a un generador síncrono de imanes permanentes trifásico.
• Se orienta con respecto a la dirección del viento por una veleta.
• Regulación de la velocidad de giro por cabeceo o cambio de paso pasivo.
• Dos sistemas de frenado, uno de ellos de tipo mecánico.
• Podría tener cualquier tipo de torre soportante, con diferentes alturas.
* Doctor en Ciencias Técnicas. Especialista en energía eólica del
Centro de Estudio de Tecnologías Energéticas Renovables (CETER).
Miembro de la Junta Directiva de CUBASOLAR.
tel. (537) 2663637.
e-mail: conrado@ceter.ispjae.edu.cu
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