Componentes Estructurales de un Aerogenerador: Torre y Cimentación
La torre y la cimentación son estructuras fundamentales para la estabilidad y el rendimiento de un aerogenerador (AG).
Torre del Aerogenerador
La torre eleva el aerogenerador a una altura óptima para capturar vientos más fuertes y constantes. A mayor altura, el AG tiene el potencial de generar más energía, pero esto implica desafíos:
- Mayor rigidez estructural requerida.
- Costes más elevados (fabricación, transporte, montaje).
- Evitar la resonancia: La frecuencia de las cargas cíclicas del viento no debe coincidir con la frecuencia natural de vibración de la torre.
Tipos de Torres:
- Tubulares de acero por tramos: Son las más comunes, ensambladas en secciones.
- Hormigón armado o mixtas: Ofrecen mayor rigidez, pero pueden ser más costosas.
- Algunas torres incluyen un ascensor interno para facilitar el mantenimiento de la góndola.
Cimentación del Aerogenerador
La cimentación ancla el aerogenerador al suelo y soporta todas las cargas estáticas y dinámicas. El tipo de cimentación depende de las características del terreno:
- Diseño Convencional (Zapata de Hormigón Armado): Para terrenos compactos con una tensión admisible ≥ 3 Kp/cm3.
- Diseño No Convencional (Pilotes de Sujeción): Para terrenos con menor capacidad portante (tensión admisible < 3 Kp/cm3).
- Cimentación Flotante: Específica para aerogeneradores marinos.
Multiplicadora del Aerogenerador: Optimizando la Velocidad
La caja multiplicadora es un componente mecánico *clave* que incrementa la velocidad de rotación del eje principal (baja velocidad, proveniente del rotor) a una velocidad adecuada para el generador eléctrico (alta velocidad). Existen varios tipos:
- Ejes Paralelos: Diseño más simple y económico.
- Planetaria: Más robusta, pero también más compleja y costosa. Permite una relación de multiplicación máxima de 1:12 por etapa.
- Mixta: Combina características de las anteriores.
Funcionamiento del Generador Asíncrono (Inducción)
El generador asíncrono, o de inducción, convierte la energía mecánica rotacional en energía eléctrica. Su funcionamiento se basa en los siguientes principios:
- Inducción de Corrientes en el Estator: Se aplican corrientes trifásicas (iRR’, iSS’, iTT’) al estator, desfasadas 120º entre sí y a una frecuencia fest. Esto crea un campo magnético giratorio.
- Velocidad del Campo Giratorio: El campo magnético del estator gira a una velocidad angular Westc = 0 + (2π * fest) / P (donde P es el número de pares de polos).
- Inducción de Tensiones en el Rotor: Cuando el rotor comienza a girar y la velocidad del rotor (ΩE) es diferente a la velocidad del campo del estator (Westc), se inducen tensiones senoidales (eAA’, eBB’, eCC’) en el rotor a una frecuencia frotE = [(ΩE – Westd) / 2π] * P.
- Generación de Campo Magnético en el Rotor: El rotor está cortocircuitado, por lo que las tensiones inducidas generan corrientes trifásicas. Estas corrientes crean un campo magnético en el rotor.
- Velocidad del Campo del Rotor: El campo magnético del rotor gira a una velocidad Wrotc = ΩE ± 2π * frotE / P.
- Producción de Energía Eléctrica: La energía eléctrica se genera cuando la velocidad del rotor (ΩE) supera la velocidad de sincronismo del campo del estator. En este caso, las corrientes inducidas en el estator debidas al campo del rotor superan a las corrientes inyectadas inicialmente, y se introduce energía en la red eléctrica.
Cargas Mecánicas Cíclicas en Aerogeneradores
Es crucial calcular las cargas mecánicas y los coeficientes de seguridad para seleccionar los materiales y dimensiones adecuados, evitando fallos estructurales o deformaciones. Estas cargas se clasifican según su origen (aerodinámicas, inerciales, de peso) o evolución temporal (constantes, transitorias, cíclicas).
Cargas Cíclicas: Son causadas por variaciones cíclicas en el viento. Su frecuencia debe mantenerse alejada de las frecuencias de resonancia del aerogenerador. La fuerza (F) varía con la velocidad del viento (v).
Tipos de Cargas Cíclicas:
- Cambio de Velocidad Total del Viento:
- Cortadura de Viento: La velocidad del viento varía con la altura y la rugosidad del terreno.
- «Sombra» de la Torre: La velocidad del viento se reduce momentáneamente cuando una pala pasa por delante de la torre (3 pulsaciones por vuelta en un rotor tripala).
- Desalineación del Rotor: Ocurre cuando la dirección del viento no es perpendicular al plano del rotor.
- Peso: Aunque menos significativo, el peso de las palas genera fuerzas de compresión (pala arriba) y expansión (pala abajo).
Sistema de Orientación del Aerogenerador
El sistema de orientación alinea las palas del aerogenerador con la dirección del viento para maximizar la captura de energía. Hay dos tipos principales:
- Activos: Utilizan un motor eléctrico o un sistema hidráulico.
- Pasivos: Comunes en máquinas pequeñas, emplean una veleta con amortiguador o un rotor a sotavento.
Componentes del Mecanismo de Orientación:
- Góndola: Contiene el motor eléctrico, la caja reductora y el piñón.
- Torre: Incorpora la corona dentada.
- Freno y Pasador: Aseguran la posición de la góndola.
Funcionamiento: El sistema se activa después de un cierto tiempo, en función del error de orientación. Esto evita la torsión excesiva de los cables que descienden de la góndola. Por ejemplo, el aerogenerador puede detenerse después de dos vueltas completas, desenrollar los cables y volver a arrancar.
Balance de Potencias en Aerogeneradores de Velocidad Variable ante Ráfagas de Viento
Las pérdidas principales en un parque eólico se deben al *efecto estela*, que reduce la velocidad del viento y genera turbulencia, disminuyendo la potencia cinética disponible. Parte de la potencia capturada por el rotor puede almacenarse en él, modificando su velocidad.
- Si la velocidad de giro del rotor (ΩT) es constante, toda la potencia capturada se transfiere a la transmisión mecánica, y la variación de energía cinética (Pc = dEc/dt) es cero. (Ec = 1/2 * J * ΩT2, donde J es el momento de inercia).
- En aerogeneradores de velocidad variable, una ráfaga de viento puede aumentar la velocidad de giro. En este caso, Pc > 0 (la energía cinética del rotor aumenta) y la potencia eléctrica generada (PE) es menor que la potencia capturada por el rotor (PR). Lo contrario ocurre si la velocidad de giro disminuye. Esto *reduce* las fluctuaciones de potencia entregada a la red (ΔPE) y los problemas asociados.
- En aerogeneradores de velocidad casi fija, ΩT es aproximadamente constante. Por lo tanto, la potencia del rotor (PR) es casi igual a la potencia eléctrica generada (PE). Esto provoca que las fluctuaciones de potencia (ΔPE) sean mayores, generando:
- Inyección brusca de potencia a la red, afectando la calidad de la onda.
- Fatiga mecánica adicional en la transmisión.
- Si el eje se rompe, la potencia no se transmite, y toda la energía capturada se convierte en energía cinética en el rotor, acelerándolo potencialmente hasta su destrucción.
Armónicos de Tensión (V) e Intensidad (I) y Cálculo del Rendimiento en Conexión a Fase R
El rendimiento se calcula como: Rendimiento = Pconsumida / Pabsorbida = PCA / PCC.
Los armónicos *sí* se tienen en cuenta. Si no se miden, pueden afectar la medición de la potencia real y aparente, ya que introducen pérdidas. Las potencias se definen como el producto de la intensidad y la tensión de una fase (PCA,R = iCA,R * VCA,R). La tensión presenta una forma senoidal distorsionada debido a los armónicos que el inversor no elimina por completo.
Diferencias entre Potencia de Fase (Pfase) y Potencia Total Trifásica (Ptot) y su Repercusión en Aerogeneradores
Pfase es la potencia entregada o consumida en una sola fase del sistema (PR = IR * VR). Ptot trifásica es la suma de las potencias de las tres fases, representando el consumo total del sistema.
Repercusión en Aerogeneradores:
- Los aerogeneradores están diseñados para sistemas trifásicos. Comprender ambas potencias es crucial para el diseño.
- Un desequilibrio en Pfase puede generar pérdidas y reducir la eficiencia.
- Controlar las potencias es esencial para la estabilidad y el rendimiento del aerogenerador.
- La protección contra sobrecargas y fallos depende de la correcta gestión de Pfase y Ptot.
Energía Entregada a la Red por el Convertidor a Fase R durante 3 Horas
ECA,R(0,3h) es la suma acumulativa de la potencia en la fase R durante 3 horas.
Si PCA,R es constante: ECA,R(0,3h) = Σ PCA,R(t) = PCA,R(1) + PCA,R(2) + PCA,R(3) = 3 * PCA,R.
Cálculo del Valor Eficaz de la Tensión en Fase R
El valor eficaz no se puede calcular directamente con la fórmula estándar (valor pico / √2) porque la señal está distorsionada. Esta distorsión se debe a los armónicos que el inversor no elimina completamente al generar la onda con los transistores. Un filtro LC a la salida del inversor puede mitigar este problema.
Cálculo de la Capacidad en Cada Fase del Banco de Condensadores
La capacidad se calcula como: C = Qc / (V2 * 2π * f), donde Qc es la potencia reactiva a compensar, V es la tensión nominal y f es la frecuencia de la red.
Objetivos de la Compensación de Potencia Reactiva:
- Mejorar el factor de potencia.
- Reducir pérdidas y mejorar la eficiencia del sistema.
- Disminuir la carga de generadores y transformadores, prolongando su vida útil.
Efecto de Añadir una Resistencia (R) en el Rotor del Generador Asíncrono ante una Ráfaga de Viento
Al añadir una resistencia en el rotor, se observan los siguientes cambios (comparando con la situación sin resistencia adicional):
- Velocidad de Giro (rpm): El generador alcanza mayores velocidades de giro en el mismo período de tiempo para compensar la resistencia añadida.
- Potencia (P): La potencia generada es menor para un mismo tiempo debido a las pérdidas en la resistencia adicional.
Cálculo de la Capacitancia (C) tras la Eliminación del Banco de Condensadores
En un entorno de simulación como Simulink, se podría implementar un programa iterativo que ajuste el valor de C hasta que el sistema alcance un factor de potencia (fdp) igual a 1 (compensación completa de la potencia reactiva).
La relación entre la potencia reactiva (Q), la tensión (V), la frecuencia (f) y la capacitancia (C) es: Q = V2 * ω * C, donde ω = 2π * f (f = 50 Hz, frecuencia de la red).