La veleta en los molinos
de viento
Por
Conrado Moreno Figueredo*
La veleta de cola en los molinos de viento y el mecanismo de protección contra vientos fuertes
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Resulta útil precisar el papel que desempeñan la veleta de cola y el mecanismo de protección contra vientos fuertes en el molino de viento multipala tradicional, empleado para el bombeo de agua, así como su principio de funcionamiento, con el objetivo de que se comprenda la importancia de estos sistemas en esas máquinas, sobre todo en nuestra región por la aparición frecuente de huracanes y turbonadas acompañadas de vientos fuertes. El funcionamiento inadecuado de estos mecanismos ha provocado la parada de muchos molinos de viento a lo largo de toda la isla.
Las máquinas eólicas pueden ser de eje vertical y de eje horizontal. Las primeras son los rotores Savonius y Darrieus, que no necesitan ubicarse de frente al viento, es decir, trabajan independientemente de la dirección del viento. Sin embargo, los molinos de viento para el bombeo de agua y los aerogeneradores que son de eje horizontal, necesitan algún mecanismo que los ubique de frente al viento de manera que capturen más energía del viento que los ataca y, además, que los proteja de las altas velocidades. Este rol lo juega la «veleta de cola»,o simplemente «veleta», conjuntamente con el «sistema de protección contra vientos fuertes» en las máquinas de pequeña potencia. Las de mayor potencia poseen otros sistemas más complejos, de tipo activo (Fig. 1).
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Fig. 1. Molino de viento tradicional.
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La veleta emplea la fuerza del viento que actúa sobre ella para orientar al rotor ubicado delante de la torre que lo sustenta (rotor a barlovento). Esta cambia pasivamente la posición del rotor sin la participación del hombre, ni de la potencia eléctrica o hidráulica. Cuando el rotor se ubica detrás de la torre (a sotavento), entonces no se necesita de la veleta (Fig. 2). En este caso, el rotor tiene forma de cono suave. La conicidad de las palas origina la aparición de una fuerza sobre el rotor que lo posiciona de frente al viento, es decir, son autoorientables. Los aerogeneradores del parque éolico Los Canarreos, en la Isla de la Juventud, son un ejemplo
de esta solución (Fig. 3).
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Fig. 2. Ubicación del rotor con respecto a la torre.
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Fig. 3. Conicidad de un aerogenerador, con torre abatible.
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Actualmente, la gran mayoría de los aerogeneradores de mediana y gran potencias se ubican a barlovento y emplean sistemas de orientación activa para mantener al rotor de frente al viento. Una pequeña veleta montada en la capota del aerogenerador, detecta la dirección del viento y envía una señal a un motor eléctrico o hidráulico que mecánicamente ubica el rotor de frente al viento. En este caso, la potencia que mueve el sistema es eléctrica o hidráulica.
Los molinos de viento multipala tradicionales, o molino de viento americano, empleados para el bombeo de agua, operan generalmente en un rango de trabajo de velocidades de viento entre 3 y 12 m/s. Es decir, arrancan a 3-4 m/s y deben detenerse totalmente a 10-12 m/s. La aparición de velocidades del viento mayores a las referidas, provoca el deterioro y la puesta fuera de servicio del molino.
La veleta de cola y el sistema de protección contra vientos fuertes en los rotores eólicos de eje horizontal, cumplen tres funciones. A bajas y medianas velocidades del viento, cuando el molino de viento está en operación, la veleta mantiene el rotor de frente al viento. Mientras más posesionado esté frente al viento, más energía es capturada. En este caso, funciona como un «sistema de orientación».
A altas velocidades del viento, el «mecanismo de protección contra vientos fuertes» provoca que el rotor salga de la posición de frente al viento, es decir, lo desorienta. En este caso opera como «sistema de regulación de velocidad», pues la velocidad de rotación y la potencia entregada disminuyen, es decir, protege al rotor de un embalamiento.
Si la velocidad del viento sigue aumentando puede llegar a frenarlo, o ponerlo paralelo al viento (en posición bandera). En este último caso se convierte en un «sistema de frenado».
La fuerza de empuje axial del viento a altas velocidades es significativa, pudiendo provocar daños en la máquina. Los molinos de viento multipala tradicionales generalmente se diseñan para trabajar hasta velocidades entre 10 y 12 m/s (36-43 km/h), ya que la probabilidad de aparición de velocidades mayores es usualmente muy baja.
Se pudiera pensar en diseños y tecnologías de fabricación que permitan mayores velocidades, pero la robustez adicional que deben tener la torre, la caja de transmisión y el rotor para mantenerse trabajando con seguridad a altas velocidades, eleva el costo de la máquina, lo que compromete su factibilidad de fabricación.
En la práctica, existen dos soluciones: con veleta secundaria y con rotor excéntrico.
Primera solución: Con veleta secundaria (Fig. 4). En este caso, la máquina posee dos veletas: la veleta de cola, o principal, y la veleta secundaria. Mientras la velocidad del viento es baja, la fuerza del viento sobre la veleta secundaria no provoca el giro del rotor sobre el cabezal de giro. En este caso trabaja solamente la veleta de cola, como sistema de orientación.
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Fig. 4. Sistema de orientación con veleta secundaria.
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Cuando la velocidad del viento aumenta (aproximadamente a 8 m/s), la fuerza de empuje del viento sobre la veleta secundaria provoca que el rotor gire, se pliegue y se desoriente, y con ello su velocidad de rotación disminuye.
Si la velocidad del viento continúa incrementándose hasta velocidades entre 10 y 12 m/s, el momento provocado por la veleta secundaria ubica al rotor paralelo al viento (posición bandera), por lo que se anula su velocidad de rotación, es decir, ocurre el frenado del rotor.
Segunda solución: Rotor excéntrico con respecto al cabezal de giro (Fig. 5).
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Fig. 5. Rotor excéntrico.
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En este caso, el rotor está ubicado excéntricamente con respecto al cabezal de giro. Es el sistema de orientación más común, y el más empleado en los molinos de viento multipala para el bombeo de agua que se conocen. El rotor tiene la posibilidad de girar completamente a 90 grados, de forma tal que se ubique paralelamente al viento.
Cuando el viento es fuerte (mayor que 10-12 m/s), esta operación es completamente automática; ocurre sin la participación del hombre.
La velocidad del viento en la cual comienza la desorientación, depende de la pretensión del muelle, de la fuerza axial del viento sobre el rotor (que depende, a su vez, del área de barrido del rotor) y de la geometría (excentricidad) del eje del rotor con respecto al centro de la torre, donde se encuentra el cabezal de giro.
La mayoría de los molinos de viento poseen este sistema y, además, pueden ser desorientados manualmente durante los trabajos de mantenimiento, tirando de un cable desde la base del molino. También se emplea este freno manual cuando se anuncia el acercamiento de vientos fuertes, como cuando se acerca un huracán, o se pronostican turbonadas en la zona de ubicación.
Otra solución para la desorientación del rotor y menos empleada, es la conocida como «por cabeceo» (Fig. 6).
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Fig. 6. Regulación por cabeceo.
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En este caso, el rotor se pliega igual que en el caso anterior, pero en el plano vertical, es decir, el rotor se mueve verticalmente: las palas se colocan como en el helicóptero. El efecto es el mismo: el área de enfrentamiento del rotor se reduce en función de la magnitud de la velocidad del viento. En este caso, la veleta también desempeña el papel de orientación del rotor de frente al viento, cuando este es bajo o moderado.
En resumen, 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 necesario para activar el mecanismo de desorientación, la máquina se ubica en una posición no perpendicular al viento, lo que provoca una disminución de la velocidad de rotación y de la potencia entregada, llegando hasta frenar el rotor. En las dos primeras soluciones el movimiento del rotor es horizontal, y en la otra, vertical, por cabeceo.
* Doctor en Ciencias Técnicas. Profesor Titular del Centro de Estudio de Tecnologías Energéticas Renovables (CETER), de la CUJAE, La Habana, Cuba.
e-mail: conrado@ceter.cujae.edu.cu
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