Energía eólica: Tipos de generadores eólicos y sus aplicaciones

Generadores eólicos de eje hotrizontal

Son los más utilizados y de mayor potencia. Básicamente se distinguen tres tipos:

Molinos de viento convencionales

Son los clasicos molinos usados antiguamente y que en la actualidad se conservan como recuerdo histórico pero sin prestar servicio. Ver siguiente figura:

Esquema de un clásico molino de viento orientado por una eólica

Sus características principales son:

• Longuitud de la palas: entre 5 y 15 m, y su anchura del orden de un 20% de su longitud. El material del que se construían es de madera.
• Velocidad de rotación: variable entre 10 y 40 rpm, en función de la longitud de las palas, correspondiendo los valores menores a las palas de mayor longitud.
• La orientación de la rueda de palas para situarla perpendicularmente al viento incidente se llevaba a cabo mediante un brazo orientable o bien por medio de una pequeña eólica auxiliar que actuaba en forma de veleta de orientación.

Aerogeneradores lentos

Es un generador con un elevado número de palas. Generalmente su sistema de orientación es mediante un timón-veleta que hace que el plano de la hélice se sitúe siempre perpendicular a la dirección del viento. Ver la siguiente figura:

Esquema de un aerogenerador lento (18 palas) adecuado para el accionamiento directo de una bomba hidráulica para la extracción de agua de pozo

Sus características fundamentales son:

• Número de palas elevado, entre 12 y 24.
• Diámetro entre 3 y 10 m, limitado por el elevado peso del rotor.
  Se adaptan muy bien a vientos de pequeña velocidad. Su arranque se produce a partir de una velocidad del viento entre 2 y 3 m/s.
• Potencias pequeñas debido básicamente a dos razones: usan vientos de baja velocidad (entre 3 y 7 m/s) y tienen un diametro limitado por el peso del rotor debido al elevado número de palas.
• Su campo de aplicación fundamentalmente se centraen las instalaciones de extracción y bombeo de agua.
• Presentan un valor elevado del coeficiente de par elevado para pequeños valores de velocidad especifica.
  

Aerogeneradores rápidos

En este tipo de aerogeneradores el número de palas es pequeño. Su ventaja respecto a las eólicas lentas es que su potencia por unidad de peso es mucho mayor, por lo que al ser más ligeros pueden construirse generadores de un radio mucho mayor, así como situar el buje o punto de giro central del rotor a alturas mucho mayores y por consiguiente aprovechar el efecto de aumento ed la velocidad del viento con la altura. En la actualidad se construyen eólicas con diámetros de rotor que alcanzan los 90 m y con una potencia nominal de 3 MW, lo que da una idea del área de barrido del rotor.

Las características principales son:

• Reducido número de palas, entre 1 y 4, aunque los más usados son de 3 palas.
• Máquinas más ligeras que las eólicas lentas, y por lo tanto pueden construirse de mayor tamaño.
• Requieren una velocidad del viento para su arranque mayor que las eólicas lentas (entre 4 y 5 m/s). Poseen un par de arranque menor.
• Alcanzan su potencia nominal para velocidadeds del viento entre 12 y 15 m/s. A partir de velocidades del orden de 25 a 30 m/s se produce la parada del rotor para evitar daños sobre la máquina.
• En los aerogeneradores rápidos, el valor máximo del coeficiente de potencia se sitúa en el entorno de Cp=0,4.

Se utilizan para la generación de energía eléctrica, pudiendo ser en sistemas aislados o conectados a la red. Los generadores utilizados en sistemas aislados generalmente son más pequeños (de 3 a 50 KW) que los que se conectan a la red eléctrica (de 250 a 3000 KW). Ver siguientes figuras:

Aerogenerador de eje horizontal tripala

Número de palas

Diferentes tipos de rotores de aerogeneradores de eje horizontal

Rotores monopala: Permite una mayor velicidad de rotación, reducción de masas y costes de material, en las palas, en la caja multiplicadora y en elegenerador. Tienen el inconveniente de necesitar un equilibrado muy preciso con un contrapeso de compensación, y existe un mayor riesgo de desequilibrio aerodinámico y vibraciones con la aparición de cargas de fatiga. Tambien aumenta la generación de ruidos. Del orden del doble que un rotor tripala.

Rotores bipala: Reduce el coste de material y equipos respecto del rotor tripala, pero presenta tambien la desventaja respécto a éste ultimo de un mayor nivel de esfuerzos dinámicos. De forma similar a rotor monopala se producen esfuerzos mecánicos originados por la variación del perfil de la velocidad del viento con la altura. Ademas estos rotores presentan respecto a los tripalas un mayor nivel de vibraciones y de ruido.

Rotores tripala: presentan como prrincipal ventaja la de un giro más suave y uniforme debido a las propiedades de su momento de inercia, por lo que se mniminiza la inducción de esfuerzos sobre la estructura. Ademas gira a menor velocidad que los rotores mono y bipala, disminuyendose los esfuerzos de la fuerza centrífuga, el nivel de vibraciones y la producción de ruido. En la actualidad el rotor tripala es la configuración más usada en turbinas eólicas rápidas dedicadas a la generación de electricidad.

Disposición del rotor con relación al viento

Tipos de disposición de un rotor de un aerogenerador de eje horizontal con relación al viento

Rotor a barlovento: el viento incide primro sobre el palmo del rotor y posteriormente sobre la torre de sustentación, con lo cual se minimiza el efecto de sombra sobre el rotor, y la paracición de vibraciones y esfuerzos de fatiga sobre las palas del rotor. Este tipo de disposición requiere un rotor más rígido y más alejado de la torre a fin de evitar interferencias entre lo álabes del rotor y la torre debido a la flexión de los mismo por el esfuerzo de empuje del viento.
Este rotor, a diferencia del rotor a sotavento, necesita un sistema de orientación que mantenga siempre el plano de giro de rotor orientado perpendicularmente a la dirección del viento.

Rotor a sotavento: No requieren ningún tipo de dispositivo de orientación. Su desventaja radica en los efectos de sombra de la góndola y de la torre sobre las palas del rotor con la consiguiente pérdida de potencia y aumento de tensiones de fatiga, además, se pueden producir enrrollos en el cable conductor que transporta la energía producida por el generador situado en la góndola que gira libremente.

Ventaja de los aerogeneradores rápidos frente a los lentos

• Son mucho más ligeros y económicos a igualdad de diámetros, por lo cual se contruyen con grandes diámetros (40 a 90 m) y con rotores situados a elevadas alturas (hasta unos 100 m). Disponiendose de generadores eólicos de gran potencia (0,5 a 3 MW). Ya que se pueden construir rotores que barran áreas elevadas y beneficiarse con el aumento de velocidad del viento con la altura.
• Resisten mejor los esfuerzos provocados por las ráfagas de viento.
• Al tener menor número de palas es mas fácil incorporar mecanismos que permitan el giro de las mismas alrededor de la torre para lograr regular la potencia de generación o proteger el rotor en caso de vientos muy fuertes.
• El empuje axial debido a la acción del viento sobre el rotor parado es menor en las eólicas rápidas que cuando está girando, no sucediendo esto en las lentas.
• Al girar más rápidas, el tamaño y coste de la caja muliplicadora que acciona el generador eléctrico se reduce. En los grandes aerogeneradores la velocidad de rotación está en el rango de 15 a 50 rpm siendo la velocidad de la punta de la pala no mayor a 65 – 75 m/s.

Frente a las ventajas citadas, la eólicas rápidas tienen el inconveniente de presentar un par o momento de arranque mucho menor que las eólicas lentas.

En la siguiente figura se muestra el aspecto general de un gran aerogenerador tripala.

Esquema de un aerogenerador de gran potencia

Generador Eólico modelo V90 del fabricante Vestas de 3 MW de potencia, una altura máxima del eje del rotor de 105 metros y un diametro del rotor de 90 metros. En este video se pueden apreciar los componentes y las principales características de este generador.

Generadores eólicos de eje vertical

Se han realizado numerosos prototipos y experiencias con diferentes eólicas de eje vertical, pero por razones técnicas y económicas su implantación en la práctica es muy limitada, por lo que la mayoría de generadores eólicos son de eje horizontal.
El rotor de las eólicas de eje vertical básicamente suele ser de los siguientes tipos:

• Rotor de arrastre diferencial, sin o con pantalla (Savonius).
• Rotor de variación cíclica de incidencia (Darrieus).

Eólica de rotor de arrastre diferencial: rotor Savonius

Este rotor se basa en la diferente fuerza aerodinámica que ejerce un flujo de aire sobre objetos de distinta forma.
Si se concibe un rotor formado por un conjunto de álabes en forma de cazoletas semiesféricas o semicilíndricas colocadas en la forma que se indica en la siguiente figura, la acción del viento origina fuerzas distintas en las partes cóncava y convexa de estas cazoletas, lo que da lugar a un par que provoca el giro del rotor. Debido a que la fuerza que origina el par es la diferencia entre los álabes o paletas del rotor, este tipo de máquina recibe el nombre de arrastre diferencial.

Acción del viento sobre un rotor de arrastre diferencial

Generador de eje vertical con deflectores que impiden la fuerza de contrapresión del viento sobre los alabes del rotor

Para eliminar el efecto nocivo de la fuerza F´que actúa sobre el álabe o cazoleta inferior (que se mueve en sentido opuesto a la velocidad del viento), se puede incorporar al rotor una pantalla orientable por medio de un timón-veleta, junto con un sistema de deflectores adecuado que facilite la canalización del flujo de aire sobre las palas activas, según se muestra en la siguiente figura. La mejora que experimenta el equipo cuando se apantalla el rotor es importante. 

Rotor de arrastre diferencial provisto con una pantalla giratoria que impide la acción del viento sobre los álabes situados en la parte inferior de la figura

Prototipo de un generador eólico de eje vertical con placas deflectoras en el frente del aerogenerador para direccionar el aire hacia las paletas de empuje de la turbina y evitar la fuerza de contrapresión sobre el resto de las paletas del generador.

Eólica de rotor de variación cíclica de incidencia: rotor Darrieus

El rotor está formado por un conjunto de álabes, unidos entre si, que pueden girar alrededor de un eje vertical y cuya sección recta tiene forma de un perfil aerodinámico. Ver siguiente figura.

Aerogeneradores de eje vertical

Las palas o álabes están arqueadas con una forma parecida a la que forma una cuerda que gira alrededor de un eje. Los álabes son biconvexos y la superficie descripta por los mismos puede tener diversas formas: esférica, parabólica, cilindrica, etc. El giro del rotor está provocado por la cción aerodinámica del viento sobre los álabes, que origina fuerzas aeródinamicas que dan lugar al par de rotación.
El par de arranque de un rotor Darrieus es muy pequeño, y en la práctica requiere un arranque auxiliar. En algunos prototipos se combina un rotor Savonius para facilitar el arranque del primero. La principal ventaja que representa el rotor Savonius frente al Darrieus es la sencillez de su construcción y mejores valores para el par de arranque a bajas velocidades. Puede decirse que el rotor Savonius sólo es útil para pequeñas potencias y aplicaciones muy limitadas como el bombeo de agua de pozos.

Comparación entre generadores de eje horizontal y de eje vertical

Las principales ventajas de las eólicas de eje horizontal frente a las de eje vertical son:

• Los de eje horizontal tienen un coeficiente de potencia (Cp) mayor.
• Las eólicas rápidas de eje horizontal presentan una velocidad de giro mayor que las de eje vertical, por lo que son más adecuadas para el accionamiento de generadores eléctricos que giran a 1000 o 1500 rpm.
• La eólicas de eje horizontal permiten barrer mayores superficies que las de eje vertical, por lo que alcanzan potencias mucho mayores.
• Las de eje horizontal aprovechan el efecto beneficioso del aumento de la velocidad del viento con la altura respecto del suelo. La configuración de las de eje vertical impide alcanzar alturas elevadas y por lo tanto no pueden aprovechar este efecto.

En cambio, las eólicas de eje vertical presentan las siguientes ventajas frente a las de eje horizontal:

• Dada su simetría vertical, no necesitan sistemas de orientación para alinear el eje de la turbina con la dirección del viento, como ocurre en las de eje horizontal.
• Su mantenimiento es más sencillo, dada su poca altura con respecto al suelo.
• Cuando la eólica trabaja en una aplicación que requiere velocidad constante, no es necesario incorporar ningún mecanismo de cambio de paso.
• Las eólicas de eje horizontal son las más usadas en la práctica. Las eólicas de eje vertical se utilizan basicamente para investigación.

Montaje de generadores Eólicos

Parques Eólicos

Parque Eólicos construidos por el fabricante Vestas al rededor del mundo, en este video se puede apreciar el tamaño y dispocición de los mismos.

Fuente consultada: Libro: "Energía Eólica", Autor: Miguel Villarrubia, Editorial: Ediciones CEAC, 2004.