Descripción de la fuente de energía
utilizada (El viento).
La atmósfera constituida
esencialmente por oxígeno, nitrógeno y vapor de
agua, se
caracteriza por su presión,
que varía con la altura.
La radiación
solar se absorbe de manera diferente en los polos que en el
ecuador, a
causa de la redondez de la tierra. La
energía absorbida en el ecuador es mayor que la absorbida
en los polos. Estas variaciones de temperatura,
provocan cambios en la densidad de las
masas de aire, lo cual
hace que se desplazan en diferentes latitudes. Estas traslaciones
se realizan desde las zonas en que la densidad del aire
(presión atmosférica) es alta en dirección hacia las de baja presión
atmosférica.
Se establece así, cierto equilibrio por
transferencia de energía hacia las zonas de temperaturas
extremas, sin lo cual serían inhabitables. Existen otros
desplazamientos que se ejercen perpendicularmente a la
dirección del movimiento de
las masas de aire, hacia la derecha en el hemisferio norte, y
hacia la izquierda en el hemisferio sur.
Sin embargo, estas direcciones, están
frecuentemente perturbadas por:
- Las tormentas que desvían la dirección
dominante, como se hace patente en registros. - Los obstáculos naturales, bosques,
cañadas, depresiones, etc.. Estos obstáculos
modifican la circulación de las masas de aire en
dirección y velocidad. - Las depresiones ciclónicas que pueden
desplazarse en cualquier dirección, pero de hecho,
tienen ciertas direcciones establecidas,
superponiéndose, al sistema general
de presión atmosférica.
El viento se caracteriza, por dos grandes variables
respecto al tiempo: la
velocidad y la dirección. La velocidad incide más
directamente que la dirección en el rendimiento de la
estación.
Figura # 1- Circulación general
de los vientos medios a nivel
del suelo y en el
hemisferio norte.
Los Fenómenos instantáneos
(Ráfagas) son difíciles de caracterizar; para tener
una idea aproximada de estas variaciones, son necesarios
registros meteorológicos de vientos periódicos, de
aproximadamente 20 años atrás.
Los cambios diarios se deben a los fenómenos
térmicos producidos por la radiación solar. Las
variaciones de temperatura con la altitud crean corrientes
ascendentes. La velocidad media del viento es más
débil por la noche, con pocas variaciones. Aumenta a
partir de la salida del sol y alcanza su máximo entre las
12 PM. y las 16 PM.
Los fenómenos o variaciones mensuales dependen
esencialmente del lugar geográfico y sólo las
estadísticas meteorológicas pueden
predecir estas variaciones.
Los fenómenos o variaciones anuales son
periódicas con buena precisión en los datos, de modo
que de un año a otro, es posible hacer una buena evaluación
de la energía eólica recuperable en un lugar
determinado. [23]
Clasificación de las diferentes
configuraciones de los aerogenerador.
Clasificación de los aparatos
eólicos.
Se definen en general, los aerogeneradores, según
la posición de su eje de rotación, con
relación a la dirección del viento. Así se
dividen en:
- Con el eje paralelo a la dirección del
viento. - Con el eje perpendicular a la dirección
del viento.
- Con el eje paralelo a la dirección del
- Aerogeneradores de eje horizontal.
- Aerogeneradores de eje vertical.
- Aerogeneradores que utilizan el desplazamiento de un
móvil (citados sólo como recuerdo). - Sistemas estáticos de recuperación de
energía eólica.
Los aerogeneradores de eje horizontal con el eje
paralelo a la dirección del viento (fig.# 2), en la
actualidad son las máquinas
más difundidas y con mayores rendimientos que las otras
existentes, algo muy importante en el momento de comenzar un
diseño.
En este grupo se
incluyen aquellas que tienen 1,2,3 o 4 palas, además de
las típicas multipalas para el bombeo de agua.
Entre estas máquinas se distinguen aquellas que
tienen las palas situadas de "cara al viento" y aquellas que las
tienen de "espalda al viento".[23]
Los aerogeneradores, generalmente van provistos de
rotores bipala o tripala de cara al viento.
MULTIPALA DE VELOCIDAD LENTA BIPALAS TRIPALAS
RÁPIDOS
( a ) ( b)
"CARA AL VIENTO" "DE ESPALDAS AL
VIENTO"
( c ) ( d )
Figura # 2 – Aerogeneradores de eje
horizontal con el eje paralelo a la dirección del
viento.[23]
Los aerogeneradores de eje horizontal con el eje
perpendicular a la dirección del viento más
significativos son, el de perfil oscilante y el sistema de
captación con palas batientes. (Fig.# 3)
Estos sistemas se han
estudiado ampliamente, también se construyeron prototipos;
pero presentan más inconvenientes que ventajas; en
especial necesitan sistemas de orientación igual a los de
eje horizontal paralelo al viento.
La recuperación de energía es generalmente
complicada y no poseen un buen rendimiento. Por lo que no
constituye un buen sistema a utilizar.
PALAS BATIENTES – DOBLE ROTOR – PALAS DE
LONA
( a ) – .( b ) – .( c )
Figura # 3 – Aerogeneradores de eje
horizontal con el eje perpendicular a la dirección del
viento. [16]
Los aeromotores de eje vertical son presumiblemente
(Fig.# 4), las primeras máquinas que se utilizaron para la
captación de energía eólica, son
conceptualmente más sencillas que las de eje horizontal;
no necesitan de ningún sistema de orientación, lo
que constituye una ventaja constructiva nada despreciable. En
funcionamiento, las palas, los rodamientos y los ejes, no
están sometidos a esfuerzos importantes por cambios de
orientación, son de fácil construcción; sin embargo tienen la gran
desventaja de poseer un rendimiento mediocre (el rotor Savonius
alcanza un 20% del límite de Betz)., es por ello que no se
experimentó un gran desarrollo en
estos equipos. [16]
Existen 3 grandes familias de aeromotores de eje
vertical:
Aeromotores derivados del rotor de Savonius:
Esencialmente utilizan el arrastre diferencial creado
por las palas que pueden ser de diversas formas. El par de
arrastre es elevado, pero la velocidad máxima es
claramente inferior a la de los rotores de eje
horizontal.
Aeromotores derivados del rotor Darrieus.(patentado en
1931):
Emplea la sustentación de las palas y
están caracterizados por débil par de arranque y
velocidad de rotación elevada que permite la
recuperación de una gran potencia.
Para mejorar el par de arranque se pueden acoplar otro
tipo de rotores haciéndolo mixto, por ejemplo:
(Savonius-Darrieus). Lo cual afectara seguramente otras
propiedades. Siendo necesario buscar las condiciones
óptimas.
Estas máquinas de eje perpendicular son
susceptibles de competir con los aerogeneradores rápidos,
bipalas y tripalas de eje horizontal; siendo en la actualidad
objeto de estudio y desarrollo. [30]
Aeromotores derivados de las máquinas con palas
batientes.
TIPO SAVONIUS
TIPO DARRIEUS
Figura # 4 – Aerogeneradores de eje
vertical. [30]
I.4.2 – Disposición del Rotor,¿
SOTAVENTO O BARLOVENTO
Rotor a barlovento
Las turbinas eólicas a barlovento son las que
poseen el rotor o hélice enfrentando el viento (Fig.# 2.
c), o sea delante de la torre. La ventaja básica en este
tipo de máquinas es que evitan la influencia de la sombra
aerodinámica de la torre. Siendo la configuración
más utilizada en el diseño y construcción de
molinos. Sin embargo, aunque en menor medida que en una
configuración a sotavento, existe tal perturbación.
Lo cual se debe a la porción del área del rotor que
enfrenta la torre, induciendo igualmente, una variación en
el patrón normal en la variación de presiones a lo
largo de las líneas de flujo que atraviesan dicho sector.
Por tal razón las líneas de flujo empiezan a
curvarse antes de llegar a la torre en si, aún si la
superficie de ésta fuera cilíndrica y perfectamente
lisa. Cada vez que las palas del rotor pasen cerca de la torre,
la potencia que posee el viento, y que estas captan, cae
sensiblemente.
Las desventajas de este tipo de rotor
son:
- Necesita un rotor más rígido, situado a
cierta distancia de la torre, de otro modo existe el riesgo de
interferencia con la misma debido a los esfuerzos que tienden a
flexionar las palas en dirección hacia la torre. Esto
aumenta considerablemente el costo de las
mismas al requerir, sus materiales,
mejores propiedades mecánicas. - Requiere un sistema para la orientación del
rotor que lo mantenga enfrentando al viento. Tales sistemas
pueden ser activos o
pasivos.
Un sistema de orientación activo necesita
utilizar censores de dirección y accionamientos
motorizados que guíen al rotor automáticamente
hacia la dirección del viento.
Un sistema de orientación pasivo en una turbina
de rotor a barlovento son los que utilizan una aleta
estabilizadora. [37]
Rotor a sotavento.
En esta configuración el rotor o hélice se
encuentra aguas debajo de la torre, detrás de esta
respecto a la dirección del viento (Fig.# 2.
d).
Este sistema posee como fundamental ventaja, no requerir
dispositivo de orientación alguno, siempre y cuando se
diseñe adecuadamente el rotor y nacelle de tal modo que
haga que la misma "siga" de forma pasiva a la dirección
del viento. Sin embargo esta manera de orientar a la
hélice se ve obstaculizada por la forma en que se puede
transmitir la corriente saliente desde el generador; si existiera
una vinculación directa por medio de cables se
necesitará un control activo
del enroscado de los mismos (si el nacelle ha girado
repetidamente en el mismo sentido por un largo período de
tiempo); de existir una vinculación por medio de anillos
rozantes debe ser muy bien estudiada dadas las elevadas
intensidades de carga que serán transmitidas.
Otra importante ventaja adicional de un rotor a
sotavento es la posibilidad de emplear materiales para las palas,
más flexibles, siempre y cuando se tenga en cuenta la
flecha máxima admisible. Lo anteriormente expresado se
fundamenta, primero por la disminución del peso que
implica una pala menos rígida y en segundo lugar a que de
este modo se alivian las cargas dinámicas sobre todo el
sistema debido que a altas velocidades de viento, por ejemplo
durante ráfagas, las palas pueden empezar a curvarse
(flexión en flap) aliviando en parte a la torre y a toda
la estructura de
soporte. [37]
La desventaja principal es la fluctuación de la
potencia del viento al pasar el rotor por la sombra de la torre.
Esto trae aparejado mayores cargas de fatiga sobre la misma
turbina que un sistema a barlovento.
Selección del número de
palas.
Las turbinas eólicas pueden tener en el rotor
diferentes número de palas. La regla general, en
principio, es: un menor número de palas en el rotor
permite mayor velocidad de giro en el eje del mismo. La medida
para esto es la denominada velocidad específica, cuyo
valor resulta
del cociente entre la velocidad tangencial de la punta de pala y
la velocidad del viento, es decir:
[2]
En el diseño de turbinas eólicas para la
generación de electricidad es
aconsejable que el rotor gire al mayor número de
revoluciones posible debido a la reducción en el
tamaño, el peso del generador eléctrico y del
sistema multiplicador, si éste fuera necesario, con el
consiguiente abaratamiento de la máquina.
Por tal razón, en este tipo de turbinas el
número de palas es bajo, encontrándose modelos de
1,2,3 o 4 palas, denominadas turbinas rápidas.
Solamente los rotores multipalas, conocidos como molino
americano, tan habituales en nuestro paisaje rural actual, poseen
entre 12 y 24 palas. Esta configuración posee un alto par
de arranque y giran a bajas rpm (turbinas lentas), encuentran
gran aplicación en el bombeo de agua. [2]
Al retomar, el uso de turbinas eólicas para la
generación eléctrica, debe mencionarse algunos
puntos concernientes a la elección de la cantidad de
palas. En primer lugar, el costo de las palas respecto al costo
total de la máquina suele llegar al 20% .
Por otra parte, entre las turbinas rápidas, si
bien el rendimiento aerodinámico aumenta con el
número de palas, este aumento se hace poco significativo
para hélices con más de dos o tres palas, tal como
se ve en la figura # 5. [37]
Figura # 5 – Gráfico de
Rendimiento Aerodinámico (Cp) vs Velocidad Especifica
(λ) ,para diferente número de palas.
Debido a la cinética misma de la hélice se
hace importante reducir al máximo las masas rotantes, y el
peso de las palas es más que significativo.
Además, una máquina comercial debe poseer
un nivel de emisión de ruido
reducido, por esto y teniendo en cuenta que esta emisión
aumenta potencialmente con la velocidad en punta de pala, la
velocidad de rotación y la de punta de pala no deben
exceder cierto nivel. [37]
A partir de las acotaciones realizadas y otros factores
a considerar serán analizadas las ventajas y desventajas
de hélices de 1,2y3 palas.
Hélices de una pala.
Utilizar una turbina eólica monopala o
monóptero aumenta la velocidad de rotación del
rotor y consiguientemente reduce las masas y costos de los
demás elementos, como son el multiplicador y el generador
eléctrico. Además, como se explicó
anteriormente, este tipo de hélice resulta muy atractiva
económicamente por el costo mismo al poseer una sola
pala.
Sin embargo, estas hélices requieren un
contrapeso que compense a la pala y el balanceo de la misma debe
realizarse con mucha precisión. Un rotor de este tipo
tiene un desequilibrio aerodinámico muy acentuado, lo que
causa complejos esfuerzos de fatiga y complicadas construcciones
en el centro para controlar adecuadamente la turbina que las
hacen poco prácticas.
La desventaja principal para su uso comercial es el
elevado nivel de ruido aerodinámico que producen, causado
por una altísima velocidad en punta de pala. Comparado con
rotores tripalas esta velocidad es dos veces mayor, lo que
provoca un nivel sonoro bastante elevado. A lo cual se suma la
perturbación visual en el paisaje provocado al ver rodar
una sola pala. Para comprender la verdadera importancia de este
aspecto, se debe tener en cuenta que en algunas comunidades de
Alemania no se
permite la instalación de este tipo de rotores.
[2]
Hélices de dos palas.
Comparándola con un rotor de tres palas, se logra
disminuir en cierto porcentaje el costo de la hélice; sin
embargo debido a los fluctuantes esfuerzos dinámicos que
se originan con esta configuración se requieren
dispositivos especiales para disminuir el estado de
carga, lo que eleva finalmente el costo global de la
máquina, perdiéndose las ventaja económica
respecto a la primera.
Siendo diferente a lo que sucede en el rotor tripala,
ésta posee una componente no inercial oscilante durante el
movimiento del nacelle a lo largo del eje longitudinal de la
torre (orientación) originada por la fuerza de
Coriolis, lo que incrementa los esfuerzos sobre la
estructura.
Por otro lado y compartiendo esta propiedad con
las hélices monopala en alguna medida, poseen la
posibilidad de fijarse al cubo del rotor mediante un dispositivo
de oscilación, efecto denominado teetering, una
especie de bisagra que permite compensar los esfuerzos que
provoca la variación del perfil de velocidad del viento
con la altura, lográndose un patrón de esfuerzos
externos algo más plano a lo largo del área barrida
por la pala.
Asimismo se cuenta con la ventaja técnica para la
fabricación de las palas, si la turbina es de poca
potencia y su sistema de control es de palas de paso fijo
(stall), se pueden hacer en un único bloque.
Además los dispositivos encargados del control de la
potencia captada, si se trata de un sistema de palas de paso
variable (pitch), se torna mucho más sencillo que
en el caso de una hélice tripala.
En cuanto a las vibraciones, son mucho más
sensibles a este fenómeno que las tripala y debido a las
mayores velocidades en punta de pala con las que operan se eleva
el nivel de ruido respecto a estas. [2]
Hélices de tres palas.
Una de las razones principales para la
utilización de tres palas en la hélice es el
momento debido a Coriolis constante, casi nulo, del rotor
respecto a los movimientos operacionales alrededor del eje
longitudinal de la torre. Todos los rotores con tres o más
palas tienen esta favorable propiedad. Por consiguiente no induce
ninguna carga sobre la estructura debido a éste
fenómeno lo que deviene en una simplificación
estructural y reducción en los costos de
fabricación.
La característica fundamental de esta
configuración es su mayor suavidad de funcionamiento
respecto a las anteriores.
Otra de las causas de este menor estado
vibratorio puede comprenderse a partir de la figura.#
6.
Figura # 6 – Fuerzas
correspondientes para aerogeneradores de 1,2,y3
palas.
Considerando un perfil de la capa límite
atmosférica como el representado vemos que la fuerza
aerodinámica de empuje axial provocada por el viento es
mayor sobre las palas que ocupan una posición superior
respecto a las demás. En un rotor de tres palas, si bien
estas fuerzas no quedan completamente equilibradas, la
descompensación es bastante menor a la que se produce en
uno de dos palas. Podemos considerar en el primero que Fa ˜
Fb + Fc para los 360º en el giro de la hélice
mientras que en el segundo, cuando esta ocupa una posición
vertical, Fa > Fb mientras que al ocupar una posición
horizontal Fa = Fb. Se originará así un fuerte
estado vibratorio de frecuencia ?/2, que puede aminorarse con el
sistema de teetering mencionado, pero no
completamente.
La hélices de tres palas al ser sus velocidades
de rotación relativamente bajas, los son también
las de punta de pala, constituyendo una gran ventaja respecto a
las monopalas y bipalas debido a la reducción en el nivel
de ruido que esto conlleva. Esta propiedad se ve potenciada, al
utilizarse la turbina para el abastecimiento eléctrico de
puntos aislados, donde generalmente la máquina se debe
emplazar en las cercanías de la población y se debe minimizar la
perturbación introducida en el hábitat
natural.
Asimismo, de manera diferente a las hélices mono
y bipalas las de tres palas gozan de una gran aceptación
pública en cuanto al impacto visual que ocasionan.
[2]
Aerogeneradores de caja reductora y de imanes
permanentes (P.M.G.)
Hoy casi todos los conversores de energía
eólica, de unos kilovatios o más usan el esquema
convencional para las velocidades entre 750 y 1800 r.p.m. La
velocidad de la turbina es significativamente más baja que
la velocidad del generador; típicamente entre 20 y 60
r.p.m. Un conversor de energía de viento convencional,
utiliza una caja multiplicadora entre la turbina y el generador.
Una alternativa es usar un generador para bajas velocidades. El
generador puede conectarse directamente al árbol de la
turbina. Estos conversores de energía eólica
están en uso y reciben el nombre de generadores acoplados
directamente, siendo sus esquemas los mostrados en la figura #
7.
Figura # 7 – Generador de caja
reductora a la izquierda y generador acoplado directamente a la
derecha.
Existen dos razones fundamentales para que se proyecte
el uso de generadores acoplados directamente en el
aprovechamiento de la energía del viento para la
generación de energía:
1- El costo de la electricidad producida, lo cual se
debe a que:
- Se disminuye el costo del tren de
potencia. - Se disminuyen las pérdidas por
conversión de energía. - Mejoraran la disponibilidad en el conversor de
energía de viento. - El ruido del conversor de energía de viento,
la reducción del ruido puede ser importante, permitiendo
solicitar permiso para instalar los conversores de
energía del viento cerca de lugares
habitados.
Para lograr todo estas ventajas simultáneamente
se necesita, un generador correctamente calculado,
diseñado y construido. [26]
Tipos
de P.M.G.
Varias configuraciones de generadores con imanes
permanentes para su uso en aerogeneradores han sido adoptadas,
ejemplo de ellos son: los de flujo radial, flujo axial y flujo
transversal. Esta denominación responde a la distribución de los imanes en el generador
[26]. A continuación describiremos las ventajas y
desventajas de los mismos para su uso en
aerogeneradores.
Las máquinas de flujo radial son las más
convencionales de las alternativas existentes en el mercado, se
utilizan con referencia para las comparaciones. La
disposición de los imanes en los distintos tipos de
generadores pueden verse de la figura # 8; a la figura #
12:
Figura # 8 – Generador de flujo radial
con imanes montados en la superficie. a) vista Tangencial y b)
vista Axial
Figura # 9 – Generador de flujo radial
con concentración de flujo y imanes ferrita. a) vista
Tangencial y b) vista Axial.
Figura # 10 – Generador del flujo
axial con estator toroidal e imanes montados en la superficie del
rotor.
a) la vista Tangencial b) la vista
Radial.
Figura # 11 – Generador del flujo
axial con estator doble y bobinados en el rotor
a) vista Tangencial b) vista
Radial.
Figura # 12 – Generador de flujo
tangencial. a) vista Tangencial y b) vista Radial.
Una restricción importante en las máquinas
de flujo axial es la cantidad de bobinados, al estar limitada por
el espacio disponible en el radio interno y
la distancia entre las bobinas y el estator, el radio más
grande no puede usarse totalmente debido a esto, y sin embargo
permite la utilización del centro férrico e imanes
ligeramente menos eficaces, en máquinas de flujo axial que
en máquinas de flujo radial. En máquinas de flujo
radial, puede escogerse la longitud del estator interno, la
distancia entre las bobinas y el estator de manera independiente.
Si es necesario, la máquina de flujo radial puede
construirse con un diámetro pequeño usando un
estator largo.
Para reducir el diámetro de la máquina de
flujo axial, manteniendo constante el torque, la diferencia entre
el radio interno y externo tiene que ser aumentada. El torque
máximo de una máquina de flujo axial, se logra
cuando el radio interno es aproximadamente 0.6 veces el radio
exterior. Un radio interno más pequeño
disminuirá sólo el torque. Por consiguiente, el
diámetro de la máquina de flujo axial no puede
reducirse tanto como el diámetro de la máquina de
flujo radial.
Una manera de evitar un diámetro grande es apilar
varias máquinas de flujo axial con un diámetro
pequeño en el mismo árbol. Así, la potencia
puede ser mayor sin aumentar el diámetro. Esto conlleva, a
un aumento considerable en el costo del generador.
Si la distancia entre las bobinas y el estator es
pequeña, el rotor y estructuras
del estator tienen que resistir una fuerza magnética alta.
Es más fácil hacer un rotor más largo en la
dirección radial que en la dirección axial, sobre
todo en generadores con un diámetro grande. Por
consiguiente, es más fácil hacer generadores de
flujo radial con un hueco aéreo (air gap) pequeño.
Sin embargo, la expansión térmica del rotor y
estator, tienen influencia en el generador de flujo radial y por
lo tanto en la distancia entre las bobinas y el estator, mientras
en una máquina de flujo axial, la distancia entre las
bobinas y el estator no se afecta por estas causas. Los
generadores de flujo axial también son difíciles de
fabricar porque el diapasón de la hendeduras varían
en las laminaciones del estator para los diferentes
radios.
Las máquinas de flujo axial pueden construirse
más fácilmente que una máquina de flujo
radial con un estator doble. El mismo elimina la necesidad de un
yugo en el rotor como un camino del retorno para el flujo.
Seguidamente, el peso activo del generador puede
reducirse.
No obstante, es sólo un yugo del rotor hecho de
hierro
sólido y barato lo que se elimina. En cambio una
estructura del rotor no magnética más compleja
tiene que ser usada para sostener los imanes. El estator doble
también permite que el bobinado pueda ser dividido en dos.
En una máquina de flujo radial una distribución
electromagnética equivalente puede ser lograda aumentando
dos veces la longitud del estator, en lugar de usar dos mitades
del estator. Semejante solución llevará a una
cantidad menor de bobinados. Si la longitud de la máquina
no se restringe, la máquina de flujo axial con un estator
doble no será mejor que una máquina de flujo radial
con un estator largo, desde el punto de vista
electromagnético. [26]
Un tipo especial de generador de flujo axial es la
máquina de estator de toroidal. Figura # 10
Los generadores del tipo toroidal heredan las ventajas y
desventajas de las máquinas axiales, pero se hace
más difícil de adecuar el estator a la estructura
del generador. Una desventaja extensa es que los bobinados tienen
pérdidas altas en generadores para turbina de viento,
estos se calientan mucho en la parte media de la máquina,
haciéndose muy difícil evacuar el calor sin aire
o agua dirigidos directamente a ese lugar.
La máquina de flujo transversal es diferente de
los otros dos tipos de máquinas analizadas, y es
difícil de hacer cualquier comparación simple entre
ellas. La diferencia mayor entre la radial ó
máquinas de flujo axial y la máquina de flujo
transversal, es que el concepto
utilizado en la de flujo transversal permite un aumento en el
espacio entre los bobinados sin disminuir el espacio disponible
para el flujo principal; esto permite pérdidas de cobre muy
bajas.
La máquina de flujo transversal también
puede hacerse con un diapasón de polos muy pequeño
comparado con los otros tipos. Estas diferencias hacen la
máquina de flujo transversal capaz de producir una
densidad de fuerza más alta en la distancia entre las
bobinas y el estator que los otros tipos de máquinas.
Desgraciadamente, la estructura electromagnética es
más compleja que para los generadores de tipo convencional
que pueden hacer más cara su construcción. El
generador de flujo transversal es probablemente mejor que la
máquina de flujo radial desde el punto de vista
electromagnético, pero al comparar éstos dos tipos
de generadores debe incluirse una investigación mecánica detallada.
El generador de flujo transversal tiene una fuerza muy
alta por la proporción de peso, pero una desventaja es su
estructura compleja. [26]
Según los objetivos
trazados para este trabajo, se
pretende encontrar la configuración adecuada para un
aerogenerador de pequeña potencia, que sea posible
construir en talleres con pocas condiciones técnicas,
del análisis realizado tenemos un gran bagaje
teórico que nos permite llegar a conformar la estructura
que debe mostrar el aerogenerador, según las condiciones
existentes para su desarrollo y los campos de aplicación
en los que se pretende cubrir con esta máquina.
Se abordará los sistemas de orientación –
regulación al viento en aerogeneradores con potencias
menores a 10 Kw, debido a la variedad de los sistemas propuestos
y en estudio, ya que estos son los que garantizan la continuidad
en la producción de energía y la
preservación de las maquinas ante vientos
fuertes.
Varios autores tales como Guipe, Piggot [41] recomiendan
para estas potencias el uso de sistemas automáticos
gobernados por parámetros físicos –
geométricos y no por sistemas eléctricos ó
electrónicos de posicionamiento
que comprendan vectores
eléctricos, sistemas de captación de velocidad y
dirección, como los usados en molinos de vientos que
generan cientos de kW.
Selección de la configuración
del aerogenerador
Posición del rotor y sentido de
captación del viento.
La utilización de un aerogenerador de eje
horizontal con el eje paralelo a la dirección del viento
es la mejor propuesta según los criterios planteados,
siendo estas máquinas en la actualidad las más
difundidas por tener un rendimiento superior a las otras
disposiciones.
Habiéndose presentado las dos formas posibles
para disponer el rotor o hélice de eje horizontal y las
posibles estrategias de
orientación de la hélice en la dirección
perpendicular al viento se considera ventajosa la adopción
de una configuración para el rotor a barlovento de la
torre, debido a que como se ha visto, el tema de la influencia de
la sombra aerodinámica de la torre es de vital importancia
y a su vez es la configuración a barlovento elimina en
mayor escala esta
influencia sobre sus palas. Otro aspecto importante es que la
disposición a sotavento, tiene una marcada sensibilidad
para el trabajo de
los sistemas de orientación frente a cambios bruscos en la
dirección del viento, y dadas las condiciones externas
hostiles a las que se pretende esté sometido el
aerogenerador, conllevarían a la utilización de
algún sistema de amortiguación angular que vincule
al sistema del rotor-nacelle con la torre fija mediante su
anclaje al suelo. Ocasionando mayor complejidad en el
diseño y en el costo de la maquina.
La desventaja básica de una configuración
a sotavento es la fluctuación de la potencia del viento al
pasar el rotor por la sombra de la torre, lo que origina cargas
que conllevan a la fatiga, en mayores proporciones que en los
sistemas a barlovento.
Número de palas en el
rotor.
Analizando las alternativas descritas, las prestaciones
pretendidas para la máquina en desarrollo, las
aplicaciones que se darán a la misma y las condiciones
externas a la que se pretende esté sometida se selecciona
una hélice de tres palas debido, principalmente, a su
suavidad de funcionamiento, fácil balanceo y bajo nivel de
ruido originado en su marcha, aspecto importante este ya que
estas máquinas son generalmente instaladas muy cerca de
lugares habitados, Siendo estéticamente las más
aceptadas, por su armonía, en las comunidades.
Sistema de transmisión y tipo de
configuración del aerogenerador
No es frecuente el uso de aerogeneradores con caja
multiplicadora para potencias por debajo de los 10 kW, ya que las
relaciones masa potencia no le es favorable a dicha
configuración, recomendándose para estos casos el
uso de generadores acoplados directamente con generadores de
imanes permanentes (PMG); siendo una razón de peso el
espacio físico disponible, que no permite la
inserción del mecanismo de caja multiplicadora.
Existen razones para que se proyecte el uso de
generadores acoplados directamente, una sería el costo de
la electricidad producida y el ruido de la máquina
eólica, los cuales pueden ser reducidos notablemente con
esta configuración. La reducción del ruido
será importante al permitir solicitar los permisos para
instalar los conversores de energía del viento cerca de
lugares habitados. La reducción del costo de la
electricidad producida se debe, a una disminución en el
costo del tren de potencia, a la disminución de las
pérdidas por conversión de energía y a una
mejora de la disponibilidad en el conversor de
energía.
En las configuraciones de generadores con imanes
permanentes para ser usadas en turbinas de viento se tiene que,
los generadores de flujo radial son más eficaces que los
de flujo axial. Además la tipología de flujo radial
permite un diámetro exterior más pequeño que
la topología de flujo axial. El generador de
flujo transversal es más pequeño, eficaz y ligero,
sin embargo hay un inconveniente, su estructura es más
complicada que la estructura de un generador de flujo radial, lo
que conlleva a aumentar los costos de fabricación
notablemente. Por lo que se decide dado todos los elementos antes
expuestos trabajar en el diseño con una disposición
de flujo radial.
Sistemas de Regulación –
Orientación ( Selección
del Adecuado).
Como hemos visto en los epígrafes anteriores ya
se tiene seleccionada la estructura que debe tener un
aerogenerador que pretendemos diseñar, faltando
únicamente el sistema de orientación –
regulación al viento del cual realizaremos un
análisis con vistas a determinar entre los existentes cual
es el más adecuado para dar cumplimiento a nuestros
objetivos.
Toda máquina eólica necesita un sistema de
control que permita:
- Detener la máquina y limitar su velocidad por
razones de seguridad. - Optimizar el funcionamiento.
- En el caso de generación eléctrica a
frecuencia constante es necesario mantener la velocidad de giro
del rotor dentro de ciertos límites
para obtener un rendimiento elevado en el
generador.
El sistema de orientación –
regulación surge para evitar que la potencia captada por
el aerogenerador alcance valores
extremos y genere tensiones estructurales en el equipo mas
allá de los límites tolerables, esto se logra
limitando la velocidad de giro de la turbina. Si la fuerza
centrífuga, que aumenta con el cuadrado de esta velocidad
supera la resistencia de la
raíz de la pala esta se desprenderá, aún si
esto no llegara a suceder, podría ocasionar daños
considerables. Otro momento crítico es durante las
tormentas, el viento, que cambia de dirección con
demasiada frecuencia, induce a la máquina a cambiar su
orientación y la hélice girando a elevadas
revoluciones, tiende por efecto giroscópico a mantener
fijo su plano de rotación, aún cuando el eje de la
hélice cambia de dirección. Este fenómeno
produce una flexión tan importante en las palas que puede
hacer que éstas toquen la torre. [37]. Siendo el mecanismo
de orientación – regulación el encargado de
minimizar estos problemas.
Además no debe perderse de vista el aspecto
económico del problema, generalmente las máquinas
de este tipo son diseñadas para producir energía
eléctrica lo más barata posible. Por tal
razón, en su diseño se adopta un sistema tal que
cuando el viento alcance determinada velocidad (velocidad de
corte), predeterminada durante la etapa de diseño, la
máquina disminuya la cantidad de energía captada
del viento. De esta forma se considera que para velocidades del
viento superiores a las determinadas durante el diseño, no
tiene sentido dimensionar las distintas partes de la
máquina. En concreto, para
velocidades superiores es necesario desperdiciar o dejar de
producir el exceso de energía en pos de proteger la
integridad estructural de la turbina.
Existen variados tipos y naturalezas de dispositivos
para lograr este control. Presentándose a
continuación los más significativos, finalmente se
adoptará el más conveniente para el aerogenerador
en desarrollo.
Los dispositivos de orientación del rotor
más utilizados son:
- Dispositivos de servomotores.
- Aleta estabilizadora.
- Freno aerodinámico
centrífugo. - Hélice auxiliar.
- Dispositivos manuales.
- El rotor orientado a sotavento.
- Ángulo de paso fijo y variación del
área de captación. - Ángulo de paso fijo y entrega en
pérdida aerodinámica o "stall". - Ángulo de paso variable o "pitch
regulation". - Regulación por momento de inercia.
[16]
Dispositivos de servomotores
En los Sistemas de Conversión de Energía
Eólica (SCEE) a barlovento pueden ser regulados por
sistema de orientación activos o pasivos. Un sistema de
orientación activo contempla la utilización de
servomecanismos que guían al rotor automáticamente
hacia la dirección del viento mediante censores de
dirección y accionamientos motorizados. La
implementación de estos dispositivos en una máquina
eólica con las características de la que se
pretende diseñar, no sería una solución
óptima al problema de la orientación, pues
aumentarían considerablemente los costos de la misma,
haciéndola poco viable para su construcción y
producción real, además no existiría espacio
físico disponible para su colocación.
1Aleta estabilizadora.
Este es un sistema de orientación pasivo en una
turbina de rotor a barlovento, el cual puede asociarse a un
resorte que ponga en funcionamiento (posición inicial) al
aeromotor cuando la velocidad del viento este por debajo de la
velocidad máxima que puede soportar el aeromotor, incluso
su acción
puede ser progresiva, en efecto el ángulo que forma el
plano de la hélice con el viento depende de la
presión sobre la pala y la velocidad de rotación
disminuiría hasta cero cuando el ángulo pase de
900 a 00. Este mecanismo de
orientación es ampliamente utilizado en los SCEE que
existen actualmente en el mercado internacional, ver la figura #
13
( a ) . – . ( b ) . – . ( c )
Figura.# 13 – Mecanismo de
regulación con aletas estabilizadoras. [37]
Su desventaja principal es que poseen un alto
"nerviosismo" bajo condiciones de viento por ráfagas,
debiéndose implementar modificaciones al diseño de
aleta fija para pasar a aletas con grados de libertad
complicados y de difícil análisis. Asimismo, este
nerviosismo que experimentan bajo condiciones complejas de
operación constituyen una causa frecuente de roturas no
sólo en la aleta en sí y su soporte, sino
también en las otras partes de la turbina. Su
aplicación tiene mejores resultados a SCEE lentos[37]. Por
lo que su utilización en nuestro caso no es
factible.
Freno aerodinámico
centrífugo.
Los sistemas de regulación con freno
aerodinámico centrífugo poseen las palas
principales fijas (calaje constante). La regulación
dispone de dos paletas P1 y P2, articuladas
en O1 y O2 sobre un soporte perpendicular
al eje de las palas principales. Las mismas tienen la parte
delantera un poco más larga y pesada que la posterior. Se
mantienen en la posición inicial mediante los tensores
t1 y t2 y los muelles ajustados
x1 y x2.
Hasta una velocidad de giro determinada Wo (es decir, la
velocidad del viento correspondiente a V0), las palas
están en posición concéntrica. Actuando como
un volante de inercia, tienden a mantener estable la velocidad de
giro cuando la velocidad del viento varia durante breves momentos
(pequeñas ráfagas).
Las palas que tienen un calaje fijo aumentan su
velocidad de giro con el viento; cuando esta velocidad sobrepasa
V0 la velocidad de giro sobrepasa Wo, la fuerza
centrífuga y la presión del aire sobre las paletas
son preponderante. Las paletas P1 y P2
giran alrededor de O1 y O2 y toman la
posición correspondiente al frenado. (véase la
figura # 14)
Figura # 14 – Mecanismo de
regulación con freno aerodinámico
centrífugo.
Al disminuir la velocidad de giro y la fuerza de los
muelles x1 y x2 vuelve a ser preponderante,
volviendo las paletas a la posición inicial. Si la
velocidad del viento aumenta y sobrepasa a V0, el
proceso se
inicia nuevamente, aceleración, abertura, frenado, vuelta
a la posición inicial, etcétera. Siendo este el
inconveniente principal del sistema, puesto que para vientos
continuos superiores a V0 durante cierto
período de tiempo, el sistema sufre fuertes vibraciones lo
cual contribuye a su destrucción y necesita un sistema de
mantenimiento
y chequeo muy riguroso.
Además debe instalarse un freno para poder
inmovilizar el aeromotor en casos necesarios por paradas de
urgencia o temporales. [16]
Hélice auxiliar.
La orientación mediante la implementación
de una hélice auxiliar constituye otro sistema pasivo a
utilizarse, tanto en una disposición a barlovento como a
sotavento. El principio de funcionamiento es el siguiente: se
ubican una o dos hélices al costado de la principal, con
su eje perpendicular al de esta. Si el rotor principal no
está orientado en la dirección del viento, el
auxiliar se pone en marcha accionando un tornillo sinfín,
fijo a su eje, que engrana con una corona dentada
concéntrica al eje vertical del soporte, solidario a
éste. La ventaja de este sistema sobre la aleta
estabilizadora es, una mayor suavidad en su funcionamiento,
aún bajo ráfagas, si se adopta una adecuada
relación de transmisión entre el sinfín y la
corona. Los inconvenientes que tienen son; la zona turbulenta que
se origina al atravesar la corriente de aire las hélices
auxiliares, que afectará en mayor o menor medida al perfil
incidente de viento en el rotor principal y la introducción de elementos dentados en el
sistema, cuyos costos de maquinado, lubricación, etc.
incrementa el costo total, así como las paradas por
mantenimiento, algo que se propone minimizar mediante este
proyecto.
[12]
Dispositivos manuales.
Los sistemas de orientación manuales, dada su
simplicidad, no se considera necesario explicarlo. Este sistema
se descartará para su utilización como dispositivo
principal de orientación en el diseño de este
aerogenerador, debido a las pretensiones de automatización que se le confiere al
sistema en estudio. Sin embargo no se descarta su
utilización como mecanismo secundario o de respaldo, en
caso de paradas necesarias por mantenimiento o alguna
contingencia determinada por factores externos. [16]
El rotor orientado a sotavento.
Una turbina con rotor o hélice a sotavento no
requiere, en principio, ningún dispositivo auxiliar de
orientación si su diseño es correcto. El
funcionamiento mismo de la hélice origina una fuerza en la
dirección del viento, axial, que tiende a arrastrarla en
el sentido del viento. Si el rotor se ubica detrás de la
torre y permite el giro a su alrededor, el mismo se
orientará automáticamente según la
dirección del flujo aéreo. Básicamente
éste es el principio del fenómeno de auto
orientación de un rotor a sotavento. En contrapartida a
tal beneficio, un rotor a sotavento posee un comportamiento
dinámico frente a corrientes arrachadas similar a los que
poseen aleta estabilizadora [37], no obstante para el
diseño en el cual estamos enfrascados ya fue explicado
porqué se escogió una orientación del rotor
o hélice a barlovento. Este sistema sólo lo
mencionamos para su conocimiento.
Ángulo de paso fijo y variación del
área de captación.
El principio fundamental de este sistema es reducir el
área de captación o área del rotor en
posición perpendicular a la corriente de aire incidente
cuando la velocidad supera cierto valor crítico o de
corte. El sistema para la detección de la energía
en exceso y el de actuación lo forman el mismo rotor y su
vinculación a la torre a través del
nacelle.
Al incidir el viento sobre el rotor se genera sobre
éste una fuerza en la dirección y sentido de la
corriente de aire. Si el eje del rotor, lugar donde se aplica
esta fuerza, no pertenece al plano vertical que contiene al eje
de la torre, donde gira el conjunto nacelle-rotor según la
dirección del viento, se producirá un momento que
desalineará al rotor respecto a la dirección del
viento. Si es limitado este giro mediante un resorte calibrado
unido por un lado al rotor y por el otro a la estructura de la
cola del molino se logra que solamente cuando existan corrientes
de aire a velocidades superiores a la nominal se presente la
desalineación mencionada, llamándose este sistema
"furling", figura # 15. [37]
Figura # 15 – Mecanismo de
regulación con ángulo de paso fijo y
variación del área de captación
(furling)
Otro sistema de esta naturaleza se
basa en un principio similar, la explicación de su
funcionamiento resulta muy parecida al "furling", por lo que lo
mostramos gráficamente en la figura # 16. Es utilizado
corrientemente en equipos de hasta 5 kW.
Figura # 16 – Mecanismo de
regulación con ángulo de paso fijo y
variación del área de
captación
El principal inconveniente es que en estos sistemas
resulta característico una fuerte vibración que
inducirían peligrosos esfuerzos de fatiga de naturaleza
irregular en toda la estructura. Estas se deben a que el viento
incidente no posee un comportamiento estable en el tiempo y por
tanto las cargas sobre el rotor también serán
irregulares; de este modo a velocidades cercanas a la crítica
se sucederán situaciones de un equilibrio casi inestable,
provocando oscilaciones desde la posición del eje del
rotor, que golpean el tope del soporte. Se ha mejorado
parcialmente este inconveniente introduciendo amortiguadores para
ésta oscilación con resultados no completamente
satisfactorios para condiciones severas de viento [37]. Se
desprende de lo analizado, que no resulta viable incorporar este
tipo de regulación al diseño que se pretende
realizar.
Ángulo de paso fijo y entrega en
pérdida aerodinámica o "stall".
Este mecanismo de control pasivo, reacciona con la
velocidad del viento. Las palas están fijas al cubo del
rotor, por lo tanto su ángulo de paso y/o ataque son
constantes para todas las condiciones de velocidad en el aire
incidente, si bien la pala es dimensionada de manera que se
obtenga un máximo rendimiento para condiciones
nominales.
Como se verá seguidamente al analizar el
triángulo de velocidades actuante sobre un perfil
aerodinámico, para determinada velocidad de giro del
rotor, al aumentar la velocidad del aire incidente se
producirá un aumento en el ángulo de ataque
efectivo entre la velocidad del aire relativa al perfil de la
pala. Por lo que para un determinado ángulo
característico del perfil utilizado, se llegará a
una situación en que la capa límite del perfil se
desprende entrando en pérdida y perdiendo sus propiedades
de elevada sustentación y baja resistencia
aerodinámica. Así, disminuye drásticamente
el rendimiento y la energía captada por la
pala.
Se debe mencionar que los ángulos de
torsión en la pala a través de sus radio se
determinan en tal forma que las diferentes secciones no entren en
pérdida simultáneamente ya que de lo contrario sus
efectos serían demasiado abruptos, con esta
distribución se provoca, que superada la velocidad
crítica una separación de la capa limite ocurre de
forma paulatina a lo largo del eje de la pala.
Se puede esquematizar parte de lo explicado mediante la
figura # 16
Figura # 16 – Mecanismo de
regulación con ángulo de paso fijo y entrega en
perdida aerodinámica o "stall".
Entre las ventajas principales de este sistema se pueden
mencionar:
- Ausencia de mecanismos de variación en el
ángulo de paso de las palas. - La estructura del cubo resulta mucho más
simple. - Menor mantenimiento debido a menos partes
móviles.
En contrapartida, los sistemas stall representan un
complejo problema aerodinámico de difícil
solución, las cargas, entrado el perfil en pérdida
producen un estado vibratorio peligroso para la estructura de la
turbina. [16]
Ángulo de paso variable o "pitch
regulation".
Este sistema a diferencia del stall, es un sistema de
mando activo que normalmente necesita una señal de entrada
de la energía captada. Se toma, por ejemplo, la velocidad
de giro en el eje del rotor como variable de entrada.
La forma para limitar la potencia en este sistema es la
siguiente: siempre y cuando las r.p.m. nominales sean superadas
debido al incremento en la velocidad del viento incidente, el
sistema hace girar la pala en torno a su eje
longitudinal con el fin de disminuir su ángulo de ataque,
en todas sus secciones, y reducir el rendimiento
aerodinámico del perfil, reduciendo en esta forma la
extracción de energía del viento. Contrariamente,
al reducirse la velocidad de giro se incrementa nuevamente el
ángulo de paso para lograr mayor captación
energética.
Supongamos una pala cuya geometría comprenda una distribución
de cuerdas y ángulos de torsión variables respecto
a la distancia al centro del rotor, tal geometría
es determinada, de forma tal que el rendimiento
aerodinámico en el rotor sea óptimo para unas
determinadas condiciones de borde y sean éstas la
velocidad nominal incidente del aire y la velocidad de giro del
rotor. Es decir, para las condiciones nominales las palas extraen
la máxima cantidad de energía posible real. De este
modo si la velocidad del aire varía y se mantiene
constante las r.p.m. en el eje debido al rendimiento del
generador eléctrico, se necesita cambiar el ángulo
de paso en la corriente de aire respecto a los perfiles de la
pala para continuar la operación de la máquina en
condiciones óptimas para su rendimiento. Un sistema de
paso variable permitirá interactuar con la pala para
lograr esta optimización.
Se pueden citar como ventajas de este
sistema:
- Permite el control de la potencia activa bajo todas
las condiciones de viento. - Óptima performance aerodinámica del
rotor. - Arranque o cut-in de la máquina a bajas
velocidades de viento ajustando el ángulo a un valor
adecuado. - No necesita de fuertes frenos mecánicos para
detener el rotor en caso de emergencia posicionando la palas en
bandera. - Disminución y uniformidad de las cargas sobre
las palas para elevadas velocidades de viento.
En contrapartida puede citarse la inclusión de un
sistema como éste, que generalmente no es sencillo y
requiere un delicado diseño de ingeniería en el cubo del rotor, aumentando
las partes mecánicas, lo cual incrementa el costo de la
turbina, aunque este aspecto debería ser analizado tomando
en cuenta el mayor rendimiento alcanzado.
Existen varias alternativas y principios para
la detección de la señal de entrada, el ajuste a
determinada ley de control y
para la actuación sobre el ángulo de paso de las
palas. Las señales
de entrada pueden provenir del eje del rotor censando las r.p.m.,
de la potencia de salida del generador eléctrico o de un
anemómetro que detecta directamente la velocidad en la
corriente de aire incidente. La detección de esta
señal puede ser de naturaleza mecánica, eléctrica o electrónica.
Los de origen mecánico normalmente se generan a
partir de la fuerza centrífuga experimentada por una masa
solidaria al eje del rotor. En general estos sistemas se
complementan con sistemas de actuación también
mecánicos para lograr el giro de las palas a lo largo de
su eje longitudinal. Dentro de esta tipología existen o se
han desarrollado numerosos sistemas, más o menos
complicados. La gran desventaja de este método es
la dificultad para lograr una determinada ley de control
medianamente compleja.
Las otras alternativas son combinaciones
electrónicas, neumáticas o hidráulicas,
servomecanismos en general. Con estos sistemas la
regulación es mucho más precisa y manipulable,
pudiéndose lograr una ley de control bien definida [37].
Tienen el inconveniente de ser complejos, más costosos,
requieren un mayor gasto en mantenimientos y necesitan un
determinado espacio para su implementación, inconvenientes
que lo convierten, a priori, en inaccesibles para nuestro
diseño.
Regulación por momento de inercia en la
cola.
Otro sistema utilizado es el de regulación por
momento de inercia en la cola, el cual para aerogeneradores de
baja potencia (<10Kw.) puede realizar las dos funciones;
orientación del aerogenerador, para lo cual deberá
cumplir las condiciones necesarias de mantener el rotor de cara
al viento sin provocar grandes cambios de posición cuando
se produzcan variaciones en la dirección del viento y
deberá actuar también como mecanismo en la
regulación del aerogenerador cuando el viento aumente su
velocidad por encima de los valores de
diseño para la máquina.
En los sistemas analizados uno de los métodos
para controlar la velocidad del rotor consiste en desviar la
máquina de la acción directa del viento y para esto
Piggot [41] propone, que se logre localizando el eje de giro del
aerogenerador en una posición excéntrica con
respecto al eje de giro del rotor, planteando que el momento de
inercia de la cola (peso de la cola multiplicado por la distancia
de su centro de gravedad a la raíz) es lo que
gobernaría el mecanismo de orientación. Hugh
plantea que el momento de inercia hace que la cola provoque una
fuerza tal que saque suavemente al aerogenerador del viento pero
no totalmente sino tratando de mantener una inclinación
que posibilite el giro del rotor a la velocidad de diseño,
controlando así el aerogenerador, esto se puede lograr
montando la cola en una bisagra inclinada, provocando que con
vientos menores de los que fue diseñada se mantenga en una
posición frente al viento y para vientos fuertes la cola
se levante moviendo al mismo tiempo el rotor.
Dicho sistema presenta características que lo
diferencian de los antes mencionados haciéndolos
más fiable durante su explotación, ya que no
necesitan mecanismos con resorte o de engranajes que aumenten
considerablemente los costos de fabricación por maquinado
y lubricación, que incrementan el costo total, así
como las paradas por mantenimiento. Con el mecanismo propuesto en
este sistema de orientación se lograría un
funcionamiento estable, la regulación sería de
forma suave, logrando que cuando el molino alcance la potencia
máxima de diseño y el viento tenga una velocidad
superior a la de diseño, la cola saque la hélice
del viento sin que la potencia caiga abruptamente, en tal forma,
el molino seguirá generando lo más cerca de la
potencia máxima, pero sin que se destruya, siendo esta la
principal ventaja del sistema. Con el mismo se evita que la
máquina caiga en un estado vibratorio peligroso para la
estructura de la turbina que provoque su destrucción. Otra
ventaja es que este sistema no ocuparía espacio alguno
para su implementación al formar parte de la
cola.
Tiene el inconveniente de ser un sistema complicado,
según refieren especialistas en el tema como Teodoro
Sánchez de Perú [48] y Hugh Piggot de Escocia [40],
por la dependencia de coeficientes de rugosidad, momentos y
productos de
inercia que se originan durante el funcionamiento del
aerogenerador. Haciendo los cálculos sumamente engorrosos,
provocando la necesidad de realizar pruebas de
campo por el método de tanteo y error, sin embargo estos
cálculos y pruebas no son tan complicados como los
necesarios en los sistemas stall.
Por lo antes mencionado hemos determinado que el Sistema
de regulación por momento de inercia en la cola es el
más idóneo para ser aplicado en el diseño
del aerogenerador que se esta diseñando, el cual
está en correspondencia con las capacidades
tecnológicas de la industria
mecánica cubana.
Criterios para el diseño del sistema de
regulación por momento de inercia.
Según Teodoro Sánchez [48]si se trata de
veleta de orientación solamente ese no es ningún
problema, su utilización bajo los estudios experimentales
de los Holandeses y de su grupo han demostrado buenos resultados
con un área aproximada de 1/10 a 1/12 del área del
rotor y a una distancia del eje de la torre de aproximadamente
2/3 del diámetro del rotor.
Pero si se trata de una veleta que debe servir como
mecanismo de regulación de velocidad, ese es otro tema y
se complica mucho ya que las ecuaciones de
comportamiento son bastante complicadas y se llega a un punto
donde hay dos o tres coeficientes que dependen de rugosidad, y
otros elementos que solo se pueden determinar experimentalmente.
Los trabajos de laboratorio en
este campo resultan difíciles porque estamos tratando con
máquinas difíciles de introducir en laboratorios y
en el campo determinar estos coeficientes es realmente
difícil. En estos momentos se fabrican aerogeneradores
pequeños con la veleta descentrada con respecto al eje de
la torre pero no se poseen datos precisos, se viene trabajando
experimentalmente y en los casos donde no tienen la teoría
completa se avanza sobre su comportamiento,
conservadoramente.
Las relaciones dimensionales que nos brindan los
aerogeneradores Berguey [11];[31] están dadas por el uso
de un solo tipo de control en su cola, la cual esta desfasada con
respecto al eje del generador; el área aproximada de la
veleta en la cola es 1/11 del área del rotor y una
distancia del eje de la torre de 1/3 el diámetro del
rotor. Esta configuración tiene más cosas en contra
que a favor, ya que al colocar un contrapeso en el extremo de la
hélice, se logra que está se flexione. Este
mecanismo provoca cortes bruscos de la potencia en la
generación cuando aumenta la velocidad del viento por
encima de la velocidad de corte.
Existen en el otros aerogeneradores donde la cola esta
paralela al eje del generador pero desfasada 450 con
respecto a este y las consecuencias son más o menos
similares a los Berguey.
En el mecanismo que usaremos para el diseño del
aerogenerador, se trata de lograr que cuando el molino alcance la
potencia máxima de diseño ( aproximadamente a una
velocidad del viento de 10 m/s), la cola ocupe una
posición que permita que saque la hélice del viento
sin que la potencia caiga abruptamente, cosa que el molino siga
generando cerca de la potencia máxima pero sin que se
destruya. Para lograrlo Piggot [41] propone la conjugación
de dos ángulos, el primero en el pivote de la cola,
desfasado 450 con respecto al eje del generador y el
segundo es que el pivote de la cola presente un ángulo de
inclinación con respecto ha la vertical entre los
200 a 270, con esto se pretende que la
curva de potencia del molino se mantenga casi lineal cuando
comience a salir del viento (levantar la cola); luego cuando la
velocidad del viento disminuye la cola cae suavemente permitiendo
que el rotor se coloque de frente al viento, lo cual no sucede
con la cola del Berguey que cae de forma violenta.
Para lograr las características antes mencionadas
con este tipo de sistema de orientación se necesita que el
eje del generador y el eje de giro del aerogenerador presenten un
desfasaje, se recomienda por Piggot [40] que sea mayor a un 3%
del área barrida por el rotor, ya que si no la maquina
empieza hacer cosas raras tales como girar sobre su propio eje y
no orientarse adecuadamente al viento, el material de la veleta
de la cola no debe ser de aluminio ya
que tiende a fatigarse, el área de la cola debe de estar
comprendida entre 1/10 a 1/14 del área barrida por el
rotor, la cola tiene una longitud global determinada por
condiciones experimentales que se integrará por medio de
su momento de inercia al control del aerogenerador. Este momento
de inercia es el peso de la cola multiplicado por la distancia de
su centro de gravedad a la raíz y sugiere que se utilice
el mismo momento de inercia +/- 10 %. La acción de este
momento de inercia es el que permite que el aerogenerador cambie
de posición durante los cambios de velocidad del
viento.
Debido a la suavidad en su funcionamiento y a su
simplicidad de construcción se tomará esta variante
de sistema de orientación para el aerogenaredor que se
esta diseñando.
Para una mejor comprensión del mecanismo, se
muestra a
continuación las figuras # 17 a la figura # 19 que
serán útiles para comprender el funcionamiento del
mecanismo propuesto.
Figura # 17 – Desfasaje de
450 respecto al eje del generador.
Figura # 17 – Inclinación
de 270 respecto a la vertical en el pivote de la
cola.
Figura # 18 – Ranura que permite
el giro de 1200 de la cola alrededor de su
pivote.
Figura # 19 – Posiciones del
aerogenerador frente a diferentes velocidades del
viento".
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http://ces.iisc.ernet.in/energy/paper/SEHandbook/solarerg.html
Autor:
MSc. Ernesto Fariñas Wong
Noviembre 2006
Institución: Centro de Estudio de
Termoenergética Azucarera (CETA). Facultad de
Mecánica. Universidad Central "Marta Abreu" de Las
Villas.
Dr. Abdel Jacomino Bermudez.
Noviembre 2006
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