La tecnología de las turbinas eólicas

En muchos artículos venimos hablando de las últimas tecnologías actualmente disponibles para generar energía a partir del viento. Es bueno sin embargo que expongamos con cierto detalle cómo producen la energía las turbinas eólicas. Hablamos de las tecnologías convencionales, como vemos en otros artículos las últimas tecnologías están permitiendo avances significativos.

Tecnología de turbinas

La energía eólica es la que convierte energía eólica en electricidad. Esto se consigue usando turbinas eólicas, que convierten la energía cinética del viento en energía eólica de la siguiente forma:

• El viento hace girar los álabes alrededor del rotor.
• El rotor, que está formado por los álabes y el buje, causa que un eje de baja velocidad gire a unas velocidades aproximadas de 30-60 rotaciones por minuto.
• El eje de baja velocidad se conecta a una caja de engranajes de incremento de velocidad en 2 ó 3 etapas que lo conectan a un eje de alta velocidad y las rpm se incrementan a aproximadamente a 1000-1800 rpm. Esta es la velocidad rotacional que la mayoría de los generadores requieren para producir electricidad.
• El eje de alta velocidad hace funcionar un generador.
• El generador produce electricidad.

El proceso de convertir energía eólica en electricidad es limpio, saludable ambientalmente, y completamente renovable.

El único problema que existe con las turbinas es el impacto paisajístico si no se elige la ubicación exacta. También existen temores de impacto medioambiental si las turbinas se colocan en zonas con altas densidades de aves.

Turbinas eólicas a escala comercial

Las turbinas a escala comercial son turbinas de medio y gran tamaño cuyo rango va de 500 kW a 6 Mw. Las turbinas más grandes se disponen generalmente en parques eólicos que generan energía para su venta en el mercado energético.

La mayoría de las turbinas eólicas actualmente disponibles se construyen según el diseño danés. Esta configuración de turbina es de eje horizontal, con rotor de tres palas, orientación contra el viento, y un sistema de viraje activo que mantiene el rotor orientado hacia el viento.

La cantidad de energía producida por una turbina eólica es directamente dependiente de la velocidad del viento. En general, las turbinas comienzan a producir energía a velocidades de viento de aproximadamente 4 m/s, alcanzan la potencia nominal a velocidades de unos 13 m/s y paran de producir energía a unos 25 m/s.

Puesto que la velocidad del viento se incrementa con la altura respecto a la tierra, suelen montarse sobre torres con una altura aproximada de unos 30 metros o más.

Seguridad y control de la turbina.

La operación segura y el control de la turbina son preocupaciones claves cuando se usa energía eólica. Al contrario de lo que ocurre en otras actividades industriales, las turbinas eólicas operan sin supervisión directa. Los componentes se montan en lo alto de la torre, donde deben ser mantenidos y revisados en intervalos aproximados de seis meses. En ese tiempo, los componentes rotatorios están generando vibración y calor que puede causar fallos o disfuncionamiento de las piezas.

Las turbinas eólicas operan en un amplio rango de condiciones ambientales, incluyendo extremas como 100 % de humedad y temperaturas ambientales que van de – 40 ºC a 85 ºC.

También generan altos voltajes y corrientes. Los componentes eléctricos deben por tanto ser capaces de resistir altos incrementos de voltaje y ser inmunes al ruido eléctrico que puede radiarse desde generadores y redes de interruptores.

Para que las turbinas operen en condiciones fiables y seguras, los componentes deben controlarse minuciosamente y valorarse a la vez que se protegen continuamente. Un aspecto crítico de la seguridad de las turbinas eólicas es el control de la turbina. Sin un control adecuado las turbinas se acelerarían ante los altos vientos, produciendo más energía que su capacidad nominal. La sobre-velocidad originaría fallos en los componentes críticos si el generador se recalienta o se desconecta y por lo tanto el freno para la rotación del rotor. La protección se consigue mediante un sistema de frenado aerodinámico que previene que las palas del rotor incrementen la producción de energía, y además un sistema de freno de disco hidráulico.

La seguridad y fiabilidad de las turbinas eólicas es también absolutamente dependiente de la impecable fiabilidad de todas las partes.

El controlador

El controlador consiste en un computador que controla las condiciones eólicas de las turbinas a la vez que controla interruptores, válvulas, bombas hidráulicas, etc. Dada la dificultad de acceder a sus componentes es crucial que los controladores realicen su control interno y auto-regulación.

Hay usualmente controladores en el fondo de la torre y en la góndola en la parte superior de la torre. En algunas nuevas turbinas un tercer controlador se encuentra en el buje del motor.

Las modernas turbinas se usan para medir tantos como 500 parámetros en una turbina eólica moderna. Las condiciones que pueden controlarse son:

• Voltaje del generador y frecuencia de la corriente.
• Velocidad rotacional del eje de baja velocidad.
• Velocidad rotacional del eje de alta velocidad.
• Dirección y velocidad del viento.
• Vibración en góndola, álabes de rotor, y engranajes.
• Presión hidráulica.
• Ángulo de calado década pala del rotor.
• Ángulo de viraje.

Posibles medidas de temperatura incluyen:

• Temperatura del aire exterior.
• Temperatura en góndola y cuadros electrónicos.
• Temperatura del generador.
• Temperatura de aceite en caja de engranajes.
• Temperatura del eje de transmisión y caja de engranaje.

Los parámetros medidos como señales analógicas (lecturas de temperatura, por ejemplo) proporcionan valores específicos; parámetros medidos como señales digitales.

Bibliografía: Wind Turbines Today. Application Note. Dataforth Corporation