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Funcionamiento de los componentes del aerogenerador.

Funciones de piezas de turbinas eólicas para generar electricidad.

Aquí en este artículo he dado una descripción general de las principales piezas de turbinas eólicas y cómo funcionan las turbinas eólicas con estas piezas.

La energía eólica es una de las fuentes de energía de más rápido crecimiento en el mundo. Cuando se trata de energía alternativa limpia a partir de recursos renovables, se espera que la energía eólica ocupe la segunda mayor cuota del mercado en el futuro después de la solar. Antes de entrar en el funcionamiento de los principales componentes de las turbinas eólicas para generar electricidad, primero echemos un vistazo al principio básico de cómo funcionan las turbinas eólicas para aprovechar la energía del viento.

La energía eólica es un recurso gratuito y renovable. No importa cuánto se use hoy en día, seguirá habiendo el mismo suministro de energía eólica en el futuro. A diferencia de las centrales eléctricas convencionales, las centrales eólicas no emiten contaminantes del aire ni gases de efecto invernadero. A pesar de que la tecnología requiere una inversión inicial más alta que los generadores impulsados por combustibles fósiles, los costos de los sistemas de generación eólica son mucho más competitivos con otras tecnologías de generación sobre la base del costo del “ciclo de vida” porque no hay combustible que comprar y los gastos de operación son mínimos.

Cómo funcionan las turbinas eólicas: el principio básico

Las turbinas eólicas, que funcionan según un principio simple, generan electricidad aprovechando la potencia del viento. La energía del viento gira dos o tres palas en forma de hélice alrededor de un rotor (como se muestra en la imagen de arriba). El rotor está conectado al eje principal de la turbina. Cuando el viento sopla en las palas angulares del rotor, hace que el rotor gire, convirtiendo así la energía cinética del viento en energía mecánica. Dado que el eje del rotor está conectado a un generador a través de una caja de engranajes, cuando el rotor gira, también lo hace el generador y el generador convierte la energía mecánica en el eje de la turbina en energía eléctrica mediante el uso de un campo electromagnético.

Ahora veamos los roles que desempeñan las partes principales de una turbina eólica para que la turbina funcione.

Las funciones de las principales piezas de turbinas eólicas

El funcionamiento de los principales componentes de turbinas eólicas se detallan a continuación para explicar cómo funcionan las turbinas eólicas para producir electricidad:

La góndola

La góndola es la más importante entre todas las piezas de turbinas eólicas. Alberga todos los componentes de la turbina eólica, incluido el generador, la caja de cambios y el conjunto de frenos.

La góndola se encuentra en la parte superior de la torre y alberga los ejes de baja y alta velocidad, la caja de cambios, el freno y el generador. También alberga un Controlador que recibe datos de un Anemómetro, que mide la velocidad del viento, una paleta, que mide la dirección del viento, un sistema de control de paso que controla el ángulo de las palas, y la transmisión de Guiñada, que controla la posición de la turbina en relación con el viento.

La veleta en la parte superior de la góndola le dice al controlador de dónde proviene el viento. La dirección del viento determina el diseño de las turbinas, ya sea de ceñida o a favor del viento. Las turbinas ceñidas al viento tienen el rotor delante de la góndola frente al viento, mientras que las turbinas a favor del viento tienen el rotor detrás de la góndola y frente al viento. El efecto de la orientación del rotor, es decir, de ceñida o a favor del viento, tiene un impacto dominante en las cargas inestables del sistema de turbina eólica. Cuando el viento cambia de dirección, la Góndola y el Rotor siguen. El rotor siempre debe estar orientado hacia el viento para atrapar el viento correctamente. El controlador de la turbina eólica siempre se asegurará de que el rotor se convierta en viento. Casi todos los aerogeneradores son de diseño ceñido al viento.

Funciones de palas de rotor y turbina

El rotor es una de las partes más importantes de una turbina eólica que convierte la energía cinética del viento en energía mecánica rotativa.

Las palas de la turbina y el cubo juntos forman el rotor de una turbina eólica. La mayoría de las turbinas tienen dos o tres hélices como palas. El buje es una de las piezas principales de la turbina eólica que conecta las palas al eje principal y, en última instancia, al resto del tren de transmisión que transfiere la potencia mecánica de rotación del buje del rotor al generador de energía eléctrica. El rotor está conectado al eje principal de la turbina. La energía del viento gira las palas de la turbina alrededor del rotor, que hace girar el generador de energía y el generador convierte la energía mecánica en el eje de la turbina en energía eléctrica mediante el uso de un campo electromagnético. Por lo tanto, el papel del rotor de la turbina explica prácticamente cómo una turbina eólica genera electricidad.

Función de las palas de turbina

Las palas de turbina funcionan generando elevación y arrastre debido a su diferencia de formas cuando el viento sopla sobre ellas, como un avión.

Las dos fuerzas aerodinámicas primarias que funcionan en los rotores de las turbinas eólicas son la elevación, que actúa perpendicular a la dirección del flujo del viento, y la resistencia, que actúa paralela a la dirección del flujo. Las palas de una turbina eólica tienen una forma con un lado (trasero) mucho más curvado que el otro lado (delantero). Esta forma variada causa un diferencial de presión cuando el aire se mueve a través de las cuchillas. La bolsa de aire de baja presión en el lado a favor del viento de la cuchilla tira de la cuchilla hacia ella, haciendo que el rotor gire, lo que se denomina elevación. La fuerza del viento contra la parte frontal de la hoja se llama arrastre. La fuerza del elevador es en realidad mucho más fuerte que la fuerza de arrastre del viento. El resultado neto es una fuerza de elevación perpendicular a la dirección de flujo del aire sobre las palas de las turbinas que crea un par en el rotor de la turbina eólica y hace que gire como una hélice.

Funciones del eje principal

El eje de baja velocidad, que es el eje principal de la turbina, tiene funciones importantes. Soporta el rotor (el cubo y las palas) y acciona el eje de alta velocidad conectado con él a través de la Caja de engranajes, que es una de las piezas principales de la turbina eólica. El eje de baja velocidad transmite el movimiento giratorio del rotor y el momento de torsión al eje de alta velocidad a través de la Caja de engranajes para impulsar el generador.

Papel desempeñado por la caja de engranajes

La potencia de la rotación del rotor de la turbina eólica se transfiere al generador a través del tren de fuerza, es decir, a través del eje de baja velocidad (el eje principal), la caja de engranajes y el eje de alta velocidad. El rotor de la turbina eólica gira a una velocidad relativamente lenta. Con una caja de cambios, esta alta potencia de par del rotor, que gira lentamente, se convierte en una potencia de par baja y de alta velocidad, que se necesita para el generador conectado al eje de alta velocidad. La caja de cambios aumenta la velocidad de rotación del generador de aproximadamente 15 a 20 rotaciones por minuto (rpm) para una turbina grande de un megavatio a aproximadamente 1.800 revoluciones por minuto que la mayoría de los generadores necesitan para generar electricidad.

Papel desempeñado por el controlador

Para optimizar la funcionalidad de una turbina eólica, se utiliza un controlador, que es uno de los componentes de turbina eólica más importantes. El controlador aumenta la producción de energía y limita las cargas en las partes estructurales. El sistema de control consiste en una serie de computadoras que monitorean constantemente el estado de la turbina eólica y recopilan estadísticas de funcionamiento de los sensores. El controlador optimiza continuamente la producción de energía en función de la medición continua de la dirección y la velocidad del viento, principalmente. Arranca la máquina a velocidades de viento de aproximadamente 8 a 16 millas por hora (mph) y apaga la máquina a aproximadamente 55 mph. Las turbinas no funcionan a velocidades de viento superiores a alrededor de 55 mph porque los fuertes vientos pueden dañar las turbinas.

El sistema de rotura

El sistema de rotura es una de las partes importantes de una turbina eólica. Este sistema detiene el rotor automáticamente cuando su velocidad de rotación excede su punto de corte para evitar cualquier daño mecánico o eléctrico. El sistema de frenado principal para la mayoría de los aerogeneradores modernos es el sistema de frenado aerodinámico que detiene la turbina en cuestión de un par de rotaciones. Además, el sistema de frenado aerodinámico ofrece una forma muy suave de romper la turbina sin grandes tensiones, roturas y desgaste en la torre y la maquinaria.

Función del generador

El generador de turbina eólica convierte la energía mecánica de rotación generada por las palas del rotor en energía eléctrica. El viento empuja directamente contra las palas de la turbina, lo que convierte el movimiento lineal del viento en el movimiento giratorio necesario para hacer girar el rotor del generador y producir electricidad mediante el uso de un campo electromagnético.

Todas las turbinas eólicas tienen ciertas características relacionadas con la velocidad del viento. El generador (o alternador) no producirá potencia de salida hasta que su velocidad de rotación esté por encima de su velocidad de viento de corte, donde la fuerza del viento en las palas del rotor es suficiente para superar la fricción y las palas del rotor aceleran lo suficiente para que el generador comience a generar electricidad. Por encima de esta velocidad de corte, la potencia de salida del generador aumentaría como un cubo de velocidad del viento (es decir, si la velocidad del viento se duplica, la potencia de salida aumenta ocho veces) hasta que alcance su potencia nominal máxima de salida. Si la velocidad del viento continúa aumentando, el generador de turbina eólica se detendría automáticamente en su punto de corte para evitar cualquier daño mecánico o eléctrico.

Función del sistema de paso

El sistema de paso en una turbina eólica es un sistema de transmisión de bucle cerrado que controla el ángulo de las palas de la turbina girándolas para que las palas utilicen la cantidad correcta de energía eólica disponible para obtener la mayor potencia posible, al mismo tiempo que garantiza que la turbina no exceda su velocidad de rotación máxima. Esto mantiene la seguridad de la turbina en caso de fuertes vientos, pérdida de carga eléctrica u otros eventos dañinos.

Papel desempeñado por la torre de turbinas de viento

Las turbinas de viento se montan en una torre para capturar la energía del viento. El cuerpo principal de la turbina se encuentra en la parte superior de la torre y detrás de las palas. La torre de un aerogenerador soporta la góndola y el Rotor (el cubo con tres palas unidas). Las torres más altas permiten que las turbinas eólicas capturen más energía y generen más electricidad porque la velocidad del viento aumenta más lejos del suelo y el viento sopla más constantemente en una atmósfera más alta.

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Preguntas frecuentes

Ahora que se han explicado las funciones de las partes principales de los aerogeneradores para mostrar cómo funcionan los aerogeneradores, permítame también abordar algunas de las preguntas relacionadas que a menudo hacen las personas.

¿Cómo funcionan las turbinas eólicas cuando no hay viento?

Si la atmósfera no está ventosa o si hay muy poco viento y las palas se mueven lentamente, el aerogenerador puede no producir electricidad. Hay una “velocidad de corte” a la que la turbina comienza a producir electricidad. La potencia de salida continúa creciendo a medida que aumenta la velocidad del viento.

¿Por qué los aerogeneradores tienen 3 palas?

Menos palas en una turbina reducen la resistencia. Pero las turbinas con dos palas vibrarán cuando se volteen para enfrentar el viento. El momento angular se mantiene constante en una turbina con tres palas. Esto se debe a que cuando una de las palas está hacia arriba, las otras dos apuntan en ángulo y la turbina puede girar suavemente hacia el viento.

¿Cuánta energía proviene del viento en los Estados Unidos?

La energía eólica suministra aproximadamente el 6% de la generación total de electricidad de los Estados Unidos con una capacidad instalada de más de 80 GW, que es suficiente para alimentar a 24 millones de hogares.

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Conclusión

Se espera que después de pasar por las funciones de las partes principales de los aerogeneradores explicadas anteriormente, no debería haber ninguna dificultad para comprender cómo funcionan los aerogeneradores para aprovechar la energía del viento para generar electricidad.

El funcionamiento de los componentes principales de la turbina eólica se puede resumir de la siguiente manera:

1. Cuando el viento sopla en las palas angulares de la turbina que están unidas a un rotor, hace que el rotor gire, convirtiendo así la energía cinética del viento en energía mecánica;

2. El rotor está conectado al eje principal de la turbina. El eje del rotor está conectado a un generador a través de una caja de cambios. La caja de engranajes convierte la rotación de baja velocidad del eje de transmisión en rotación de alta velocidad lo suficientemente rápida como para accionar el generador y convertir la energía mecánica en el eje de la turbina en energía eléctrica mediante el uso de un campo electromagnético;

3. La corriente eléctrica producida por el generador fluye a través de un cable que atraviesa el interior de la torre de la turbina;

4. Un transformador elevador convierte la electricidad a un voltaje más alto para que pueda transmitirse a la red eléctrica;