1.1 HISTORIA ENERGIA EOLICA

Las primeras maquinas eólicas de las que se tiene documentación datan del sigloVI d.C. Eran de eje vertical y se las utilizaba para moler granos y bombear agua en la región de Sijistan, entre Irán y Afganistán.Con posterioridad, y especialmente en las islas griegas del Mediterráneo, se desarrollaron molinos de viento de eje horizontal cuya principal característica fue la utilización de velas triangulares a modo de palas. Aun hoy son utilizados en la isla griega de Mikonos para moler granos. Es de destacar que este tipo de diseño permite ajustar la superficie de captación, según la velocidad del viento, arrollando las velas en sus “mástiles”.

En el siglo XI d.C. los molinos de viento eran común mente utilizados en el MedioOriente. Recién entrado el siglo XIII y como consecuencia de las Cruzadas fueron introducidos en Europa.

Durante la Edad Media se construyeron muchos molinos llegando al extremo de que los señores feudales se reservaban el derecho de autorizar su construcción, como modo de obligar a sus súbditos a moler los granos en los molinos de su propiedad. Plantar árboles cerca de ellos estaba prohibido pues debía asegurarse la libre incidencia del viento. En el siglo XIV los holandeses tomaron el liderazgo en el mejoramiento de los molinos y comenzaron a utilizarlos extensivamente para drenar las regiones pantanosas del delta del rio Rin. A finales del siglo XV se construyeron los primeros molinos de viento para la elaboración de aceites, papel y procesar la madera en aserraderos. A comienzos del siglo XVI se empezaron a utilizar para el drenaje de “polders”, empleándose maquinas de hasta 37 Kw cada una.

El viento

La energía eólica se considera una forma indirecta de energía solar. Entre el 1 y 2% de la energía proveniente del sol se convierte en viento, debido al movimiento del aire ocasionado por el desigual calentamiento de la superficie terrestre. La energía cinética del viento puede transformarse en energía útil, tanto mecánica como eléctrica.

El viento es producto del calentamiento de la superficie de la tierra por el sol. La insolación varía con la latitud y el agua absorbe el calor más rápidamente que la

tierra, con las consiguientes diferencias de temperatura. El viento es el flujo de convección que continuamente intenta ajustar los desequilibrios termodinámicos resultantes. Como ocurre con la radiación solar, la inclinación de la tierra proporciona al viento una cierta estacionalidad, sin embargo, la masa del aire, la propia rotación de la tierra y la naturaleza del terreno le confiere al viento un modelo de distribución muy complejo.

1.3 POTENCIAL EÓLICO

La potencia del viento se incrementa al cubo con su velocidad y es proporcional a la densidad del aire, con lo cual pequeñas diferencias en la velocidad media del viento significan grandes variaciones en la energía de salida. Las turbulencias reducen la energía aprovechable del viento, ya que tiende a perturbar el buen funcionamiento del rotor de las turbinas eólicas. La teoría global del motor eólico de eje horizontal fue establecida por Betz encontrando que la energía máxima capaz de ser recogida por una turbina eólica no puede superar en ningún caso los 16/27 (59%) de la energía cinética de la masa de aire que la atraviesa por segundo. La dirección e intensidad del viento es estocástica, pero su comportamiento puede ser tratado estadísticamente. Se ha demostrado que para periodos de aproximadamente 30 días o mas la distribución probabilística de la velocidad del viento sigue razonablemente una relación matemática conocida como la distribución de Weibull.

1.4 VENTAJAS Y DESVENTAJAS ENERGÍA EÓLICA.

Emplear los recursos del viento para la generación de potencia eléctrica presenta ventajas y desventajas. Por un lado, la fuente de energía es gratuita, inacabable y no contaminante, así como disponible día y noche. El equipamiento necesario no es especialmente caro y tiene bajos costes de mantenimiento. Por otro lado, la potencia de origen eólico no es fácilmente ajustable, requiere un cierto control y su aprovechamiento económico depende del emplazamiento geográfico concreto. Asimismo, la fiabilidad de las turbinas eólicas exige un diseño mas especifico que otros tipos de generadores y la disponibilidad de selección en cuanto a tamaño esta limitada. Sin embargo, haciendo balance de las ventajas y los retos a superar, la potencia de origen eólico es una forma viable de reducir el consumo de combustibles.

VENTAJAS DE LA ENERGÍA EÓLICA:

• Es un tipo de energía renovable ya que tiene su origen en procesos atmosféricos debidos a la energía que llega a la Tierra procedente del Sol.• Es una energía limpia ya que no produce emisiones atmosféricas ni residuos contaminantes.

• No requiere una combustión que produzca dióxido de carbono, por lo que no contribuye al incremento del efecto invernadero ni al cambio climático.

• Puede instalarse en espacios no aptos para otros fines, por ejemplo en zonas desérticas, próximas a la costa, en laderas áridas y muy empinadas para ser cultivables.

• Puede convivir con otros usos del suelo, por ejemplo prados para uso ganadero o cultivos bajos como trigo, maíz, patatas, remolacha, etc.

• Crea un elevado número de puestos de trabajo en las plantas de ensamblaje y las zonas de instalación.• Su instalación es rápida, entre 6 meses y un ano.

• Su utilización combinada con otros tipos de energía, habitualmente la solar, permite la auto alimentación de viviendas, terminando así con la necesidad de conectarse a redes de suministro, pudiendo lograrse autonomías superiores a las 82 horas, sin alimentación desde ninguno de los 2 sistemas.

• Posibilidad de construir parques eólicos en el mar, donde el viento es más fuerte, más constante y el impacto social es menor, aunque aumentan los costes de instalación y mantenimiento. Los parques offshore son una realidad en los países del norte de Europa, donde la generación eólica empieza a ser un factor bastante importante.

• Impacto sobre la avifauna: principalmente por el choque de las aves contra las palas, efectos desconocidos sobre modificación de los comportamientos habituales de migración y nidación.

• Impacto sonoro: el roce de las palas con el aire produce un ruido constante, la vivienda más cercana deberá estar al menos a 200 m. También produce contaminación acústica la caja multiplicadora.

1.5 GENERACIÓN EÓLICA. EVOLUCIÓN EN NUESTRO PAÍS.

La energía eólica, transformada en energía mecánica ha sido históricamente aprovechada, pero su uso para la generación de energía eléctrica es más reciente, existiendo aplicaciones de mayor escala desde mediados de la década de los setenta, en respuesta a la crisis del petróleo y a los impactos ambientales derivados del uso de combustibles fósiles. La extrema dependencia de estos, y el incremento de la demanda energética hacen necesaria la aparición en el mix energético de otro tipo de generación de energía, respetuosa con el medio ambiente: las energías renovables. El viento es una de las principales fuentes de energía renovable, a diferencia de los combustibles esta es una fuente de energía inagotable, y en plena expansión. Su rápido desarrollo está relacionado con la necesidad de aumentar la producción eléctrica debido a la creciente demanda generada por el incremento de la población mundial y del nivel de vida de los Países desarrollados, que fijan la electricidad como su principal fuente de energía.

2.1 TIPOS DE AEROGENERADORES.

Un aerogenerador consiste en un rotor o turbina eólica que convierte la energía Cinética del viento en potencia sobre un eje giratorio, un sistema de generación que convierte esa potencia en electricidad y un cierto número de componentes auxiliares necesarios para un adecuado funcionamiento del conjunto. Una primera clasificación de las turbinas eólicas se puede realizar atendiendo al tipo de rotor eólico y la disposición de su eje de giro. Así las turbinas se clasifican en turbinas con rotor de eje vertical y turbinas con rotor de eje horizontal.

2.1.1 ROTORES DE EJE VERTICAL O TIPO WAUTS

No son los más habituales debido a su escasa capacidad para producir energía. Su Principal característica es que su eje de rotación se encuentra en posición perpendicular al suelo. Son más económicos que los de eje horizontal, al ahorrarse gran parte de infraestructura. No necesitan ningún sistema de orientación activo para captar la energía contenida en el viento. Como ventaja añadida, con respecto a las turbinas de eje horizontal, el tren de potencia y el generador eléctrico están dispuestos a nivel del suelo. Los diseños mas conocidos son los rotores tipo Darrieus y los tipo Savonious.

2.1.1.1ROTORES DARREIUS.

Deben su nombre a una patente americana de 1931 por el ingeniero G.J.M Darrieus. Constan de dos o más palas dispuestas como la forma que toma la cuerda sujeta por sus extremos y sometida a un movimiento giratorio. Su rendimiento y velocidad de giro son comparables a las turbinas de eje horizontal, sin embargo presentan inconvenientes tales como: ausencia de par de arranque, lo que hace indispensable motorizar la turbina para que comience a girar y empleo de tensores adicionales para garantizar la estabilidad estructural de la maquina. Las velocidades del viento cerca del nivel del suelo son muy bajas, por lo que a pesar de que puede ahorrase la torre, sus velocidades de viento serán muy bajas en la parte más inferior de su rotor, debido al perfil de velocidad del viento.

2.1.1.2ROTORES TIPO SAVONIOUS.

Este tipo de turbina fue desarrollada en Finlandia por S.J. Savonious. Tienen la ventaja de ofrecer par de arranque y son sencillos en su construcción, pero su bajo rendimiento y su reducida velocidad de giro hacen que sus aplicaciones se hayan reducido al bombeo de pistón.

Ilustracion 15 Aerogenerador Savonious

2.1.2 ROTORES DE EJE HORIZONTAL O TIPO HAWTS

Son los más habituales. Su principal característica, es que su eje de rotación se encuentra en paralelo al suelo y a la dirección del viento. Son más costosos que los de eje vertical y además sus aspas no soportan grandes velocidades. La velocidad de giro de estas turbinas sigue una relación inversa al número de sus palas, o de forma más precisa al parámetro denominado solidez que indica el cociente entre la superficie ocupada por las palas y el área barrida por las mismas. Se pueden clasificar en aeroturbinas lentas o multípara y aeroturbinas rápidas o tipo hélice.

2.1.2.1 AEROTURBINAS LENTAS

El numero de palas puede variar de 6 a 24, por lo que poseen una solidez elevada. El diámetro es pequeño comparado con las rápidas, del orden de 3 a 10 metros. Presentan altos pares de arranque y bajas velocidades de giro. La velocidad lineal en la punta de la pala de estas maquinas es del orden de la velocidad del viento incidente, por lo que su aplicación fundamental ha sido la de bombeo de agua, y no la de generación eléctrica debido al bajo régimen de giro.

2.1.2. AEROTURBINAS RAPIDAS

La velocidad lineal en la punta de la pala de estas maquinas varia con un margen de 6 a 14 veces la velocidad del viento incidente en condiciones de diseño, es lo que las hace aptas para la generación de energía eléctrica, ya que el elemento mecánico que acondiciona la velocidad de giro de la turbina con la velocidad de giro del generador (la caja multiplicadora), es menor en tamaño y coste. El par de arranque es pequeño y la solidez baja. La velocidad de arranque es reducida, a partir de los 3 m/s y trabajan a potencia nominal con velocidades de viento próximas a los 15 m/s para las maquinas más actuales. Los más comunes son los tripala, llegando a barrer áreas de más de 100 metros por parte del rotor, aunque dentro de este tipo de turbinas también incluimos los mono pala y bipala. Monopala: Tienen menor coste debido al ahorro de material, aunque su peso es similar al bipala debido a la necesidad de usar un contrapeso por cuestiones de equilibrio. Hacen mucho ruido y su estabilidad estructural es reducida, a causa de las vibraciones.

Bipala: También son más económicos que los tripala por el ahorro de material.Presentan inconvenientes similares a los monopala en cuanto a ruido yvibraciones.Tanto los monopala como los bipala poseen velocidades de giro de disenoelevadas, lo que permite que la relacion de multiplicacion en la multiplicadora seamenor, aspecto que se discutira en profundidad en el capitulo 3, como temaprincipal de este proyecto.

Tripala: son los mas habituales, y en los que se han centrado todos los esfuerzosde diseno y desarrollo. La rotacion es mas suave, y su disposicion de las palaspermite un mayor equilibrio y menores esfuerzos. El momento de inercia esmayor, y se reduce el ruido y las vibraciones, por lo que ganan estabilidad.

2.1.3 Clasificacion segun el tipo de disposicion

Otra clasificacion que se puede realizar es segun la disposicion del rotor frente a lavelocidad del viento incidente, distinguiendose entre configuracion a barlovento ysotavento.Barlovento: Las maquinas con rotor a barlovento tienen el rotor de cara al viento. Laprincipal ventaja de los disenos corriente arriba es que se evita el abrigo del vientotras la torre (efecto sombra). La gran mayoria de los aerogeneradores tienen este

diseno. Por otro lado, tambien hay algo de abrigo enfrente de la torre, es decir, elviento empieza a desviarse de la torre antes de alcanzarla, incluso si la torre esredonda y lisa. Asi pues, cada vez que el rotor pasa por la torre, la potencia delaerogenerador cae ligeramente.El principal inconveniente de los disenos corriente arriba es que el rotor necesita serbastante inflexible, y estar situado a una cierta distancia de la torre (como muchosfabricantes han averiguado de su coste). Ademas, una maquina corriente arribanecesita un mecanismo de orientacion para mantener el rotor de cara al viento.

Sotavento: Las maquinas con rotor a sotavento tienen el rotor situado en la cara asotavento de la torre. La ventaja teorica que tienen es que pueden ser construidossin un mecanismo de orientacion, si el rotor y la gondola tienen un disenoapropiado que hace que la gondola siga al viento pasivamente. Sin embargo, engrandes maquinas esta es una ventaja algo dudosa, pues se necesitan cables paraconducir la corriente fuera del generador. Es necesaria la instalacion de anillosrozantes y colectores mecanicos que no son muy buena idea si se esta trabajandocon corrientes elevadas.Una ventaja mas importante es que el rotor puede hacerse mas flexible. Estosupone una ventaja tanto en cuestion de peso como de dinamica estructural de lamaquina, es decir, las palas se curvaran a altas velocidades del viento, con lo que le

quitaran parte de la carga a la torre.

El inconveniente principal es la fluctuacion de la potencia eolica, debida al paso delrotor a traves del abrigo de la torre. Esto puede crear mas cargas de fatiga en laturbina que con un diseno a barlovento. Durante la orientacion se generanesfuerzos transitorios elevados ya que el proceso de giro del rotor eolico no estacontrolado, y por la conicidad de las palas en la rotacion. El angulo de conicidad esel angulo que forma el eje longitudinal de la pala con respecto al plano normal deleje de giro del rotor. Esta disposicion de la pala hace que las fuerzas centrifugasoriginadas en la pala contrarresten los esfuerzos aerodinamicos de empuje.

2.2 Principio de funcionamientoLa energia eolica es la energia cinetica del viento. Acorde con la teoria de fluidos,se tendran en cuenta las siguientes suposiciones:1. Supone al aire como un fluido ideal, sin viscosidad en todo el campo fluidoexcepto en las proximidades inmediatas del rotor.2. El movimiento en todo el campo fluido es subsonico y a muy bajosnumeros de Mach, con lo cual se puede considerar al aire como un fluidoincomprensible y, por tanto, con densidad constante en todo el campofluido.3. El movimiento del fluido es estacionario, es decir, sus variablestermodinamicas no dependen del tiempo pero si del espacio.4. No tiene en cuenta la velocidad de giro del rotor ni la de giro del fluido enla estela, y los vectores de velocidad son siempre paralelos al eje de simetriadel tubo de corriente.

5. Contempla al rotor como un disco poroso segun la teoria del disco deFroude.6. Las magnitudes empleadas para representar las variables fluidas en unadeterminada seccion recta cualquiera al tubo de corriente, son magnitudesequivalentes a la seccion y uniformes en toda ella.

Sea un aerogenerador inmerso en el seno de una corriente de aire. La velocidad enla seccion A1 en el infinito aguas arriba es la velocidad incidente del viento V1, pordefinicion. Se aprecia que a medida que se aproxima al rotor, viniendo de la seccionA1, la velocidad va decreciendo paulatinamente, de manera que cuando llega a lapropia seccion A del rotor la velocidad vale V y su modulo es menor que V1. Lavelocidad sigue decreciendo progresivamente aguas abajo, hasta llegar a la seccionA2, donde la velocidad vale V2, siendo su modulo menor que el de la velocidad V.

Si se estudia la presion, se observa que la variacion a lo largo del tubo de corrientees muy distinta a la de la velocidad. La presion en la seccion A1 vale P1, que es lapresion atmosferica del aire en el infinito aguas arriba. A medida que el flujo de airese aproxima hacia el rotor, la presion comienza a subir progresivamente hasta valerP+ en la cara anterior al rotor, por lo que hay una sobrepresion respecto a laatmosferica P1 en dicha cara. A continuacion, a traves del rotor hay un salto depresiones y la presion decrece a un nivel por debajo de la atmosferica, siendo suvalor P- en la cara posterior del rotor. Aguas abajo, la presion crece siempreprogresivamente hasta alcanzar en la seccion A2 el valor P2, que es igual a P1.

COMPONENTES DE UN AEROGENERADOR

Los molinos eólicos son complejas y bastas construcciones que pueden llegar a medir casi 200 metros de altitud con las palas incluidas y tener un peso de hasta

20 Tm. Están formados por una gran variedad de componentes que se describen a continuación.

CIMENTACIÓN

Los aerogeneradores actuales de eje horizontal están constituidos por una cimentación subterránea de hormigón armado, adecuada al terreno y a las cargas del viento, sobre la cual se levanta una torre.

TORRE

La torre de un aerogenerador es el elemento estructural que soporta todo peso del aerogenerador y mantiene elevadas del suelo las palas de la turbina. Está hecha de acero y normalmente hueca por dentro para poder permitir el acceso a la góndola. Esta suele ser típicamente de acero de tipo tubular u hormigón armado (en la actualidad se suelen utilizar estructuras mixtas en las que la parte inferior es de hormigón y la superior de acero). Elevan el aerogenerador lo suficiente como para que sea capaz de acceder a velocidades del viento mayores, en contraste con las bajas velocidades en los puntos cercanos al terreno y la existencia de turbulencias. Al extremo de la torre se fija una góndola giratoria de acero o fibra de vidrio.

ROTOR Y LAS PALAS

Normalmente las turbinas modernas están formadas por dos o tres palas, siendo lo normal el uso de tres por la mayor suavidad en el giro que proporciona. Las palas están fabricadas de un material compuesto de matriz polimérica (poliéster) con un refuerzo de fibras de vidrio o carbono para dar mayor resistencia. Pueden medir longitudes en el rango desde 1 metro hasta 100 metros y van conectados al buje del rotor. Dentro del buje hay ciertos elementos mecánicos que permiten variar el ángulo de incidencia (o pitch) de las palas.

La mayoría de los rotores en la actualidad son horizontales y pueden tener articulaciones, la más habitual es la de cambio de paso. En la mayoría de los casos el rotor está situado a barlovento de la torre, con el objeto de reducir las cargas cíclicas sobre las aspas que aparecen si se situara a sotavento de ella, pues al pasar una pala por detrás de la estela de la torre, la velocidad incidente está muy alterada. Debido a este fenómeno, las torres de aeroturbinas con rotores a sotavento son de celosía metálica, por su mayor transparencia al viento.

GÓNDOLA

La góndola es un cubículo que se puede considerar la sala de máquinas del aerogenerador. Puede girar en torno a la torre para poner a la turbina encarada al viento. Dentro de ella se encuentran la caja de cambios, el eje principal, los sistemas de control, el generador, los frenos y los mecanismos de giro de la góndola. El eje principal es el encargado de transmitir el par de giro a la caja de cambios.

CAJA DE CAMBIOS

La función de la caja de cambios es adecuar la velocidad de giro del eje principal a la que necesita el generador. Por ejemplo en una turbina de 1 MW que tenga un rotor de 52 metros de diámetro girará aproximadamente a 20 revoluciones por minuto (rpm) mientras que el generador lo hará a 1500 rpm. La relación de la caja de cambios será de 1500/20= 75.

GENERADOR

Actualmente hay tres tipos de turbinas, que varían únicamente en el comportamiento que tiene el generador cuando el molino se encuentra en condiciones por encima de las nominales para evitar sobrecargas. Casi todas las turbinas utilizan uno de los 3 sistemas mencionados a continuación:

Generador de inducción de jaula de ardilla Generador de inducción bifásico Generador síncrono

Un generador asíncrono como por ejemplo el de jaula de ardilla es el que se empezó a utilizar en las primeras turbinas eólicas. Debido a la gran diferencia de giro entre el eje del molino y el generador se necesita una caja de cambios. El devanado del estátor se encuentra conectado a la red. Se llaman turbinas de viento de velocidad constante, aunque el generador de inducción de jaula de ardilla permita pequeñas variaciones en la velocidad del rotor (aproximadamente el 1 %) también llamado deslizamiento. Un generador de jaula de ardilla consume la potencia reactiva de la red. Esto no es algo deseable, sobre todo en una red débil. Por esta razón, se acoplan condensadores al generador.

Los otros dos sistemas de generación permiten un factor de multiplicidad de 2 entre la velocidad mínima y máxima del rotor. Al existir estas variaciones en los niveles de velocidad de giro, existe un desacoplamiento entre la frecuencia de red y la frecuencia del rotor. Para igualar ambas frecuencias se necesita electrónica de potencia.

En los generadores de inducción doble-alimentados se utiliza un primer concepto de velocidad variable. A través de la electrónica de potencia, se inyecta una corriente en el devanado del rotor del generador. El devanado del estátor del generador está conectado directamente a la red. La frecuencia de la corriente inyectada en el devanado del rotor es variable, por ello quedan desacopladas la frecuencia eléctrica y mecánicas. Al hacerse esto, se permite el funcionamiento con velocidades variables. Una caja de cambio adapta las diferentes velocidades del rotor y el generador.

Los generadores sincrónicos usan un segundo concepto de velocidad variable. Estas turbinas no tienen una caja de cambio. El generador y la red quedan totalmente desacoplados mediante electrónica de potencia. En esta configuración,

también se puede operar con velocidades variables. Algunos fabricantes usan generadores especiales que operan con bajas revoluciones. Los generadores con bajas velocidades de giro se reconocen fácilmente por sus diámetros relativamente grandes, colocados cerca del rotor de la turbina.

SISTEMA DE FRENADO

Las turbinas eólicas están equipadas con sistemas de seguridad muy avanzados. El sistema de frenado de discos permite, en situaciones de emergencia o de mantenimiento, parar el molino.

SISTEMA DE CONTROL

Una vez puesto en marcha un molino eólico, queda totalmente automatizado con sistemas de control formado por ordenadores. Estos manejan la información que suministran la veleta y el anemómetro colocados encima de la góndola para orientar el molino y las palas de forma que la generación se optimice lo máximo posible. Toda la información sobre el estado de la turbina se puede enviar de forma remota a un servidor central.

EJE DE BAJA VELOCIDAD

Este elemento se encarga de conectar el buje del rotor a la multiplicadora. El eje de baja gira a muy bajas revoluciones, en torno a 10 rpm. Contiene conductos del sistema hidráulico para permitir el funcionamiento de los frenos aerodinámicos. El movimiento del eje de baja velocidad es amplificado mediante un sistema de engranaje que permite que las revoluciones a las cuales está girando dicho eje sean aumentadas de manera significativa. Suelen ser de acero forjado, huecos para aerogeneradores de gran potencia, y macizos para maquinas pequeñas. Llevan un rodamiento en cada extremo.

MULTIPLICADORA

La caja multiplicadora es el elemento mecánico compuesto por una serie de engranajes que permite adaptar la baja velocidad de giro del rotor a la necesaria por el generador para producir energía eléctrica. La velocidad de giro del generador depende de la frecuencia de la corriente eléctrica y del numero de pares de polos de la maquina. También debe ser capaz de soportar las amplias variaciones de la velocidad del viento. La relación de transmisión del multiplicador está determinada por su tren de engranajes, constituido en los aerogeneradores actuales por ruedas dentadas cilíndricas.

Si se emplea un generador de anillo multipolo, desarrollado especialmente para el uso en turbinas eólicas, no se requiere de caja multiplicadora ya que el acoplamiento se produce directamente desde el eje de baja velocidad. Estos diseños están aun en desarrollo, pero dejan constancia de que la fiabilidad de la multiplicadora es un objetivo fundamental en el diseño de la turbina. A estas turbinas se les conoce como turbinas sin caja multiplicadora o de conexión directa, y el fabricante más conocido es ENERCON. Del sistema de transmisión se hablara más detenidamente en el siguiente capítulo.

GENERADOR

El generador de una turbina convierte la energía mecánica en energía eléctrica. Para turbinas de gran potencia, los generadores asincrónicos doblemente alimentados se emplean con mayor frecuencia. En este caso, la velocidad de

rotación puede ser variada, a diferencia de cuando se usan generadores asincrónicos convencionales. Otro concepto consiste en emplear generadores sincrónicos. Hay diferencias entre los generadores sincrónicos y asincrónicos. Los últimos se emplean mas, ya que pueden conectarse directamente a la red y son más robustos y de menor mantenimiento.

Un generador sincrónico de velocidad constante conectado a la red presenta problemas técnicos muy difíciles de eliminar. Por lo anterior, actualmente no existen generadores sincrónicos de velocidad constante, sino de velocidad variable. Este no se puede conectar directamente a la red de corriente alterna con frecuencia constante, por lo que es preciso utilizar un convertidor de frecuencia como elemento intermedio entre el generador y la red.

Esta desventaja de tener que utilizar un complicado sistema adicional para la sincronización se compensa con una mayor eficiencia de la turbina y una mayor compatibilidad con la red. Los generadores de anillo multipolo que trabajan sin caja multiplicadora ya fueron mencionados anteriormente.GENERADOR ASINCRONO

Existen distintos tipos de generadores asíncronos. Entre los más comunes están los de jaula de ardilla, de rotor devanado, y los doblemente alimentados. La principal ventaja de los generadores asíncronos de rotor devanado es que el convertidor electrónico ha de ser dimensionado para una potencia que es una fracción de la potencia asignada de la maquina, ya que la mayor parte de la potencia se entrega por el estator, que se encuentra conectado directamente a la red.

En los generadores asíncronos de rotor en jaula, por el contrario, el convertidor electrónico ha de estar dimensionado para toda la potencia de la maquina, además de proporcionar la potencia reactiva precisa para magnetizar la maquina. En el caso de los generadores asíncronos doblemente alimentados, Los devanados del estator de un generador de estas características están directamente conectados a la red mientras que los del rotor se conectan a esta mediante un convertidor de frecuencia bidireccional (formado por dos convertidores electrónicos CA/CC reversibles), lo que permite al generador generar una tensión de valor y frecuencia constante aunque este girando a velocidad variable. El convertidor electrónico del lado de la red trabaja siempre a la frecuencia de la red, y su control vectorial permite, de manera independiente, tanto extraer o inyectar activa a través del rotor de la maquina, como controlar la reactiva intercambiada entre la maquina y la red.

El convertidor del lado del rotor en cambio trabaja a frecuencia variable, dependiendo del punto de operación. Con este convertidor se regula la tensión aplicada al rotor, lo que permite el control vectorial de la máquina para regular el par electromagnético y el factor de potencia del generador en un amplio margen de velocidades de viento.

El convertidor del lado del rotor en cambio trabaja a frecuencia variable, dependiendo del punto de operación. Con este convertidor se regula la tensión aplicada al rotor, lo que permite el control vectorial de la máquina para regular el par electromagnético y el factor de potencia del generador en un amplio margen de velocidades de viento.

El cualquier caso, cuando se utilizan generadores de inducción no es posible prescindir de la caja multiplicadora, ya que para ello es preciso que el generador tenga un elevado número de polos, con lo que su diámetro se hace excesivamente grande y la corriente de magnetización alcanzaría niveles muy elevados. Esto redunda en un factor de potencia bajo y un rendimiento pobre.

Generador asíncrono doblemente alimentado

GENERADOR SINCRONO

Dentro de los generadores síncronos encontramos los de rotor devanado y los de imanes permanentes como los más usuales. El empleo de generadores síncronos de rotor devanado permite controlar de forma sencilla la tensión estatorica. Para adecuar la frecuencia de la energia eléctrica generada a la de la red se utiliza un convertidor de frecuencia compuesto por un puente rectificador, un circuito intermedio en continua y un inversor de tiristores conmutado por red.

Generadores multipolares

En la actualidad, los sistemas eólicos de velocidad variable comerciales incorporan bien generadores asíncronos de rotor devanado bien, generadores síncronos (ya sea con devanado de excitación o con imanes permanentes). A continuación, se resumen en una tabla las principales ventajas y desventajas de los generadores asíncronos de rotor devanado frente a los generadores síncronos. Es de destacar que los generadores síncronos permiten un mayor margen de velocidades de giro de la maquina que los que incorporan generadores asíncronos de rotor devanado debido a que si se amplía el margen de velocidades de funcionamiento la tensión retorica aumenta y con ello el dimensionado del convertidor electrónico rotorico.

Ventajas y desventajas según generador

EJE DE ALTA VELOCIDAD

Gira aproximadamente a 1.500 r.p.m. lo que permite el funcionamiento del generador eléctrico. Está equipado con un freno de disco mecánico de emergencia. El freno mecánico se utiliza en caso de fallo del freno aerodinámico, o durante las labores de mantenimiento de la turbina.

SISTEMA DE ORIENTACIÓN

Los sistemas de control en un aerogenerador tienen dos importantes cometidos, el primero es el aprovechamiento máximo de la fuerza del viento mediante la orientación del rotor, el segundo es la protección del aerogenerador ante velocidades de viento que podrían dañar la instalación.

Para el cometido de la orientación el aerogenerador cuenta con equipos anemométricos y de medida de la dirección del viento instalado sobre la góndola. Los datos recogidos pasan al ordenador de control que según un algoritmo determinado decidirá como deberá mover la góndola gracias al sistema de corona dentada y motor de giro instalados en la base de la góndola en su unión con la torre.

Es necesario aclarar que el control sobre la orientación de el rotor no se realiza a tiempo real, si no que el algoritmo, con los datos recogidos, debe ser capaz de garantizar que realmente el viento a cambiado de dirección de forma estable, antes de que se produzca el giro de la góndola, ya que en caso contrario daría lugar a un movimiento errático del sistema que reduciría su eficiencia. Existen dos tipos de sistemas de orientación, activos y pasivos.

Los pasivos son los propios de las maquinas que tienen disposición a sotavento, de esta forma, es el propio viento el que orienta con su propia fuerza a la góndola. Las palas son construidas con una mayor flexibilidad. No es el sistema de orientación más utilizado, ya que la mayoría de maquinas actuales funcionan a barlovento.

Los sistemas activos son usados fundamentalmente a barlovento. En este caso un mecanismo activamente gira la góndola sobre la torre. Actualmente estos mecanismos de orientación son comúnmente empleados movidos por un solo motor eléctrico o por varios motores al mismo tiempo.

Góndola provee la información necesaria al sistema de orientación. Los motores actúan sobre la rueda de engranaje que mueve la góndola a su posición óptima para captar la mayor energía del viento. La velocidad máxima de estos motores es de 1°/s. Es necesaria la instalación de un mecanismo para evitar el enrollado de cables. En la figura se puede apreciar con el número uno la corona dentada de orientación y con el numero dos los motores.

Mecanismo de orientación activo

LA TORRE

La torre es la estructura que soporta a una determinada altura la góndola y el rotor eólico. Al elevar los componentes se consigue un aprovechamiento mayor del viento, pues a una mayor altura sobre el nivel del suelo mayor será su velocidad, y por lo tanto también la potencia extraíble del mismo. Su diseño suele consistir en un tronco cónico o tubular hueco de acero, en cuyo interior se alojan los equipos accesorios de suelo y se facilita un acceso seguro mediante una escalera a la góndola. Las torres pueden ser de dos formas, torres tubulares o torres de celosía. Las torres tubulares son más seguras para el personal de mantenimiento de las turbinas ya que pueden usar una escalera interior para acceder a la parte superior de la turbina.

La única ventaja de las torres de celosía es que su costo es menor a las anteriores, puesto que una torre de celosía requiere solo la mitad de material que una torre tubular sin sustentación adicional con la misma rigidez. La principal desventaja de este tipo de torres es su apariencia visual. En cualquier caso, por razones estéticas, las torres de celosía han desaparecido prácticamente en los grandes aerogeneradores modernos. La mayoría de los grandes aerogeneradores se monta con torres tubulares de acero, fabricadas en secciones de 20-30 metros con bridas en cada uno de los extremos, y son unidos con pernos. Las torres son tronco-cónicas (es decir, con un diámetro creciente hacia la base), con el fin de aumentar su resistencia y al mismo tiempo ahorrar material.

Torre

En el caso de instalaciones offshore, el sistema de sustentación dispone de tres partes:

TORRE:

Elemento estructural que resiste las cargas generadas por la turbina eólica y las provocadas por el viento sobre el mismo, transmitiéndolas a la sub-estructura.

SUBESTRUCTURA

Elemento estructural que resiste las cargas transmitidas por la torre y las provocadas por el mar sobre ella misma, transmitiéndolas a la cimentación.

CIMENTACION

Elemento estructural que resiste las cargas transmitidas por la subestructura, transmitiéndolas al terreno.

Las distintas opciones dentro de cada sección y como conjunto son las mostradas en la siguiente tabla:

Hay tres propuestas generales para la construcción de estructuras soporte de aerogeneradores offshore, la visión general del objetivo es evitar la resonancia de la estructura con la fuerza de excitación periódica más probable.

• Rígido - rígido• Flexible-rígido• Flexible-flexible

Los diseños típicos, durante el inicio de la industria, son del tipo rígido- rígido, según el cual el soporte tiene una frecuencia propia por encima de la frecuencia de rotación del rotor y la frecuencia de paso de pala. En los últimos años se está viendo el uso de torres flexibles rígidas, las cuales tienen frecuencias propias cuidadosamente situadas entre la frecuencia de rotación y la frecuencia de paso de pala, y tienen la ventaja de reducir las cargas aerodinámicas variables y suministrar una solución más ligera. Estructuras flexible-flexible, con frecuencias propias por debajo de la frecuencia de rotación son también posible, pero solo se construyen para grandes turbinas eólicas o cuando se necesitan elevadas alturas del buje.

3.1 INTRODUCCION AL SISTEMA MECANICO DE TRANSMISION

El multiplicador es el encargado de convertir las bajas revoluciones por minuto que transmite el buje en altas revoluciones por minuto que son las que necesita el generador para poder producir, consta de una serie de engranajes que en varias etapas (entre 3 y 4 etapas normalmente) aumenta la velocidad del eje que une el eje de salida de la multiplicadora con el eje del generador. Por lo tanto, en su etapa de entrada suele tener entre 10-25 r.p.m. y entre 1200 y 1800 r.p.m. en la etapa de salida.

Si usámos un generador ordinario, directamente conectado a una red trifásica de CA (corriente alterna) a 50 Hz, con dos, cuatro o seis polos, deberíamos tener una turbina de velocidad extremadamente alta, de entre 1000 y 3000 revoluciones por minuto (r.p.m.). Con un rotor de 43 metros de diámetro, esto implicaría una velocidad en el extremo del rotor de bastante más de dos veces la velocidad del sonido, lo que provocaría la rotura de la pala.

Otra posibilidad es construir un generador de CA lento con muchos polos. Pero si quisiera conectar el generador directamente a la red, acabaría con un generador de 200 polos para conseguir una velocidad de rotación razonable de 30 r.p.m.

Otro problema es que la masa del rotor del generador tiene que ser aproximadamente proporcional a la cantidad de par torsor (momento, o fuerza de giro) que tiene que manejar. Así que, en cualquier caso, un generador accionado directamente será muy pesado y caro. La solución practica y que está relacionada con los motores de automóviles, es la de utilizar un multiplicador. Con un multiplicador hace la conversión entre la potencia de alto par torsor, que obtiene del rotor de la turbina eólica girando lentamente, y la potencia de bajo par torsor, a alta velocidad, que utiliza en el generador.

En el multiplicador es donde se sitúa la mayor pérdida de rendimiento del aerogenerador. Para minimizar en lo máximo posible todo ello los engranajes suelen ir sumergidos en aceite lubricante y este mismo aceite se hace circular por un circuito que lo filtra, lo enfría y lo reparte por todos los elementos móviles. Este sistema de circulación consta de distintos elementos; Un grupo motobomba que lo hace circular por el circuito y que lo eleva hasta un intercooler que lo refrigera y que posteriormente lo pasa por un filtro con un sensor que alerta ante una alta cantidad de impurezas depositadas en el. Una serie de sensores miden las velocidades en distintos elementos, temperaturas, posiciones, etc.

El acoplamiento entre multiplicador y generador es elástico, con capacidad de absorber des alineamientos en operación en continuo. El freno mecánico se monta sobre el eje rápido del multiplicador, y consiste en un disco, sobre el que actúa una pinza hidráulica, segura ante el fallo.

COMO FUNCIONES DE LA MULTIPLICADORA, SE DESTACAN:

- Transmitir la potencia de giro del rotor al generador para producir energía.- Convierte el par de fuerza del rotor en aumento de las revoluciones.- Multiplica las revoluciones dependiendo del diámetro de rotor. Mayor diámetro de rotor igual a mayor ratio de transformación.- Adaptación evolutiva a la demanda.

La multiplicadora tipo Planetario, es un tipo de multiplicador que se va imponiendo en la actualidad debido principalmente a las siguientes características:

- Alta relación de transformación.- Varias multiplicaciones con un juego de engranajes.- Menor espacio de trabajo y compacto.- Soporta mayores cargas.

3.2 Funcionamiento y aspectos generales

El sistema mecanico de la transmision o tren de potencia lo constituyen todos loselementos y componentes que transmiten par mecanico al eje de giro.

Según esta definición, el sistema mecánico de transmisión, en una aeroturbina de eje horizontal lo componen al menos el rotor eólico y el generador eléctrico. En la mayoría de los diseños, a velocidad de giro de la turbina no se corresponde con la velocidad de giro del generador y es necesario incluir una caja multiplicadora.

Disposición de la Bancada

El cuerpo de baja velocidad de este elemento se acopla al rotor eolico a traves deleje primario o eje lento y el cuerpo de alta velocidad al generador electricomediante el eje secundario o eje rapido. Ademas, en el tren de potencia se incluyenlos apoyos del sistema de giro con la estructura de la gondola y el freno mecanico,cuya funcion es bloquear la turbina en operaciones de mantenimiento yeventualmente contribuir a paradas de emergencia.Las funciones del tren de potencia no se limitan a transmitir la potencia mecanicacon el mayor rendimiento posible, sino que sus componentes deben estardisenados para soportar esfuerzos de empuje transmitidos por el rotor eolico. Porotra parte, un buen diseno del tren de potencia debe garantizar que todos suselementos sean de facil montaje y sustitucion en caso de averia.

3.7 Caja multiplicadoraLa caja multiplicadora como elemento del tren de potencia aparece como unaopcion de diseno habitual ya desde las primeras turbinas eolicas concebidas paraproducir electricidad. La necesidad de este elemento se justifica por el diferenteregimen de giro que requiere un rotor eolico y un generador electrico.

Por una parte, la velocidad de giro de la turbina depende en gran medida del disenoaerodinamico de las palas. Los modernos rotores eolicos, ya sean de velocidad fija ovariable, se disenan con velocidades lineales en la punta de la pala que puedanvariar entre 70 y 80 m/s. Considerando constante este parametro, es inmediatoconcluir que cuanto mayor sea el diametro de la maquina y por tanto su potenciaasignada, menor ha de ser la velocidad de giro del rotor eolico.

Por otra parte, considerando un generador electrico conectado directamente a redde frecuencia constante, su velocidad de sincronismo depende exclusivamente delnumero de pares de polos.

3.7.1 Tipos de cajas multiplicadoras

Los engranajes de las cajas multiplicadoras pueden ser de dos tipos: engranajesrectos o helicoidales. Los primeros se utilizan en cajas multiplicadoras de ejesparalelos y presentan relaciones de multiplicacion maxima en cada etapa de 1:5. Losengranajes helicoidales tienen un diseno mas sofisticado que los engranajes rectos yse emplean en cajas multiplicadoras de tipo planetario. La relacion de multiplicacionen cada etapa puede ser como maximo de

Las necesidades de transmision de las turbinas actuales requieren el empleo de almenos dos o tres etapas de multiplicacion.

En la figura numero 1 se muestra una caja multiplicadora con 3 etapas de ejesparalelos. En la numero 2 hay dos etapas de planetarias y una de ejes paralelos. Enla numero 3 esta la disposicion de tres etapas planetarias.En general, las cajas multiplicadoras de ejes paralelos son mas sencillas de diseno ypor lo tanto mas baratas que los disenos planetarios. Sin embargo, ante igualdad enla relacion de transmision y en la potencia transmitida los disenos con ejesplanetarios son mas robustos y menos pesados, lo que hace que esta opcion sea lamas utilizada en maquinas de gran potencia.En la actualidad los disenos de cajas multiplicadoras que incorporan losaerogeneradores se realizan de forma especifica para esta aplicacion. Los nuevosdisenos de este componente incluyen parte de los apoyos de eje de baja velocidaden su propia estructura. Las ventajas que presenta este diseno es por una parte sureducido peso y su facilidad de ensamblaje con otros elementos del tren depotencia durante el periodo de montaje. Otros disenos utilizan, al menos una etapa

de ejes paralelos para conseguir que los ejes de la caja multiplicadora no estenalineados. Esta configuracion se emplea en la actualidad en maquinas de pasovariable donde es posible utilizar un eje de baja velocidad hueco a traves del cual seconecta un vastago movido por un piston hidraulico para modificar el angulo depaso de las palas.

Especificaciones técnicas

CAMBIO DE ACEITE DE LA CAJA MULTIPLICADORA (MARCA ECHESA) DEL AEROGENERADOR MARCA GAMESA EÓLICA, MODELO 52

PARA REALIZAR EL CAMBIO DE ACEITE PROCEDE DE LA SIGUIENTE MANERA:

Poner la maquina en < emergencia > y bloquear el rotor.

Desconectar las resistencias de calentamiento de aceite.

Sacar el máximo posible de aceite usado a través de la llave de drenado inferior.

Comprobar que en el interior de la multiplicadora no queda aceite en huecos y bandeja, en caso de que lo hubiese, sacarlo con bomba o secándolo si es necesario. Evitar que caiga suciedad.

Inspeccionar visualmente el interior de la multiplicadora, comprobando que los engranajes no presentan marcas, la pintura está intacta y en las bandejas y huecos no ay partículas magnéticas.

Rellenar de aceite hasta el nivel indicado es el visor de nivel.

Comprobar el nivel de llenado.

RECOMENDACIONES IMPORTANTES DE SEGURIDAD

Siempre que vaya a manejarse aceite de la multiplicadora o abrir alguna tapa de la misma por la que puedan salir vapores, debe utilizarse mascarillas y guantes de seguridad.

Esto es esencialmente importante si se trata de aceite sintético, que pueden ser irritantes y nocivos por inhalación de vapores.

Antes de empezar cualquier trabajo limpiar bien todas las superficies de trabajo y apoyo, para reducir la probabilidad de sufrir resbalones o caídas

Los componentes, además del propio aceite, pueden estar muy calientes (>50°c) a un con la maquina detenida. Tómense las precauciones necesarias para evitar quemaduras.

Durante el ascenso a la nacelle todo operario deberá utilizar casco con barbiquejo, guantes, arnés de seguridad con dos cuerdas de amarre con sistema absorbedor de energía y anclaje de gran apertura, también debe contar con dispositivos anti- caídas deslizante, el cual deberá permanecer en todo momento amarrado a la línea de vida y solamente se podrá soltar de la misma cuando el operario se amarre antes a un punto de anclaje.

Antes de realizar cualquier maniobra de suspensión de cargas con el polipasto, se señalizara la zona de trabajo con letreros de prohibición de acceso a personal ajeno a la obra y el riesgo de caída de cargas u objetos en suspensión. Además siempre se revisara el estado de los útiles y su correcta colocación.

Para realizar cualquier operación en la plataforma superior asegurarse de que la trampilla de escalera este cerrada. Nunca trabajar sobre la misma o en sus proximidades sin estar amarrado mediante arnes a un punto de anclaje.

Mientras se realiza el trabajo no llevar colgantes, pelo largo suelto, ropa holgada…. Que se puedan engancharse con los piñones.

Siempre que vaya abrirse la tapa de inspección, la maquina ha de estar totalmente detenida, con los frenos aplicados y ha de bloquearse el rotor mediante los brazos de bloqueo. Pulsar seta de emergencia.

Interior de la multiplicadora: comprobar que no haya depósitos de viruta o materiales sólidos.

Comprobar el estado de la pintura, tanto externa como interna.

COMPROBACIÓN DE LOS ENGRANAJES

Con la tapa de inspección levantada, inspeccionar visualmente los siguientes aspectos de los dientes:

Presencia de oxido Marcas de atrapamiento de partículas Desconches Dientes rotos Micropitting Contactos Excesivamente marcados Marcas de Golpeteos Brillo uniforme Contacto al 100% de la superficie del diente

En caso de detectar alguna de estas anomalías, comunicárselo inmediatamente al personal de la cfe y tomar evidencias fotográficas para anexarlas al informe que se entregará al término de los trabajos.

PROCEDIMIENTO PARA EL CAMBIO DE FILTRO DE ACEITE:

Soltar el filtro utilizando una llave adecuada a las dimensiones del filtro, una vez suelto se tendrá cuidado de no derramar el aceite que contenga. Este se deberá depositar en un recipiente y trasladarlo al almacén temporal de residuos peligrosos de la central.

Comprobar que la superficie del bloqueo de válvulas de la multiplicadora se encuentra libre de cualquier obstáculo.

Aplicar una pequeña cantidad de aceite en toda la circunferencia de la junta del nuevo filtro.

Roscar el nuevo filtro hasta que toque el bloqueo de válvulas.

EQUIPOS DE SEGURIDAD UTILIZADOS DURANTE EL CAMBIO DE ACEITE.

Arnés Casco Guantes Mascarillas Calzados de seguridad Herramientas Dispositivos Vehículos Contenedores para retirar el aceite usado Mano de obra Mantas absorbentes Desengrasantes

Todos estos materiales son proporcionados para el prestador del servicio para la ejecución del trabajo.

ALCANCES DE LOS TRABAJOS AREALIZAR

Se realizo el cambio de aceite de la caja multiplicadora a 98 aerogeneradores de la marca Gamesa eólica, modelo G5, con el equipo de seguridad adecuado, sé ascendió a la góndola del aerogenerador, la cual esta se encuentra situada a una altura de 44 metros aproximadamente, esta actividad fue supervisada por el personal de la central que la comisión federal de electricidad determine.

Aerogenerador marca Gamesa modelo G52

Antes de iniciar los trabajos correspondientes, el personal de comisión federal de electricidad verifico el equipo de protección que utilizara el personal del licitante ganador, así como las condiciones del mismo para dar el visto bueno y poder iniciar el trabajo de cambio de aceite al caja multiplicadora.

PROCEDIMIENTOS AL CAMBIO DE ACEITE DE LA CAJA MULTIPLICADORA

Antes de abrir cualquier tapa lo primero que se hizo es limpiar su contorno para evitar que caiga suciedad al interior, se saco todo el aceite usado a través de la llave de drenado, así como se comprobó que en el interior del depósito no quedo aceite en huecos y bandeja. Posteriormente se saco con bomba y se seco para evitar que caiga suciedad en el interior de la caja multiplicadora.

Posteriormente a la inspección, se relleno con aceite nuevo proporcionado por la comisión federal de electricidad, con aproximadamente 130 litros hasta el nivel de operación que indico el personal de la cfe.se realizo cambio de filtro de aceite en línea y fuera de línea proporcionado por cfe, de acuerdo a lo indicado en el procedimiento anexo al presente.asi como se realizo la circulación del aceite mediante la bomba para rellenar las tuberías e intercambiador de calor aire / aceite.

El aceite usado se traslado en el sitio que comisión federal indico para su almacenamiento temporal.

Posteriormente se abrió la trampilla de la Nacelle para la evacuación de vapores y esperamos que el aceite se enfriara para abrir la tapa de la multiplicadora. Dado que el aceite frio fluye muy mal posiblemente no se pueda tomarse las precauciones adecuadas para evitar quemaduras.