TIPOS DE AEROGENERADORES

TIPOS DE
AEROGENERADORES
Criterios para la clasificación de
los aerogeneradores
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Por la posición de su Eje
Por la Velocidad Específica λ=(ω·R)/Vw
Por su posición respecto a la Torre
Por sus diferentes subsistemas
– Rotor:
– Número de palas
– Control de potencia:
– Pérdida aerodinámica
– Control de paso
– Sistema de seguridad:
– Frenos aerodinámicos y mecánicos
Criterios para la clasificación de
los aerogeneradores
– Tren de potencia y estructura góndola:
– Compactos o integrados
– Multiplicador:
– Ejes paralelos y planetarios
– Sistema eléctrico:
– Velocidad fija o variable
– Multi-polos (sin multiplicador)
– Sistema de Orientación:
– Activo o Pasivo
– Tipo de Torre:
– Tubos de acero
– Hormigón reforzado
– Celosía
Por la posición de su eje
• Vertical
• Horizontal
Aerogenerador de eje vertical
Aerogenerador de eje horizontal
Aerogeneradores de Eje Vertical
• Son conceptualmente más sencillos que los
aerogeneradores de eje horizontal
• Presentan ventajas de carácter estructural porque:
– No necesitan mecanismos de orientación
– Ausencia de fuerzas gravitatorias cíclicas en el rotor
– No requiere de una torre (el generador, multiplicadora,
…, están situados en el suelo, cosa que facilita el
mantenimiento)
• Sin embargo, su aerodinámica es mucho más
compleja que la de ejes horizontales
Tipos de aerogeneradores de Eje Vertical
• Máquina de Arrastre Diferencial (rotor de Savonius):
Consiste en dos cuerpos enfrentados decalados una distancia y
desplazados lateralmente permitiendo un flujo de corriente entre
ellos. Utiliza la resistencia de las palas.
- Elevado par de arranque (requiere poco viento para arrancar)
- Baja velocidad de rotación, y por lo tanto poco desgaste mecánico
- Poco eficientes (20% frente a un 40% de los de eje horizontal)
- Las palas requieren más material por su construcción que otros tipos
Rotor de Savonius
Tipos de aerogeneradores de Eje Vertical
• Variación Cíclica de Incidencia (rotor Darrieus) :
Utiliza la sustentación de las palas que giran alrededor del eje.
- Máquinas rápidas, sencillas y de buen rendimiento (compite con los
aerogeneradores de eje horizontal)
- Par de arranque pequeño. Necesitan un sistema auxiliar para
conseguir velocidad de giro y que las palas tengan el ángulo de ataque
apropiado (suele utilizar un rotor Savonius instalado en el eje).
- Suelen estar situados cerca del suelo, donde la velocidad del viento
suele ser menor.
Rotor de Darrieus
Aerogeneradores de Eje Horizontal
• Aerogeneradores Lentos
• Aerogeneradores Rápidos
• Aerogeneradores Lentos (Multipala Americano) :
Son aerogeneradores con múltiples palas (del orden de 18 a 24) y
su característica principal es que trabajan por resistencia al viento.
-Par de arranque elevado (arrancan entre 2 y 3 m/s)
-Rendimiento energético es máximo para un λ = 1
(relación entre velocidad de punta de la pala y la
velocidad del viento)
-Diseño sencillo cosa que hace que su
mantenimiento sea sencillo
Aerogeneradores de Eje Horizontal
• Aerogeneradores Rápidos :
Son aerogeneradores con un bajo número de palas (un máximo de
4 palas) y su característica principal es que trabajan por
sustentación al viento.
- En general los Aerogeneradores Rápidos alcanzan su rendimiento
máximo para λ mayores de 6, dependiendo del número de palas.
- Dado que se diseñan para soportar esfuerzos centrífugos más
elevados, el efecto de las ráfagas será menor y las variaciones relativas
de esfuerzos serán también menos importantes (menor fatiga)
- Son más ligeros y baratos que los Aerogeneradores Lentos.
- Tienen un rendimiento energético mayor que los Aerogeneradores
Lentos.
- Par de arranque pequeño (necesitan mayores velocidades de
arranque, del orden de 4 a 5 m/s)
Por la posición del rotor
• Rotor a Sotavento (aguas abajo de la torre)
• Rotor a Barlovento (aguas arriba de la torre)
Rotor a Sotavento
Rotor a Barlovento
Rotor a Sotavento
• Con un diseño apropiado no es necesario sistema de orientación de
la góndola, ya que al tener las palas cierta conicidad, el rotor se autoorienta solo.
• Al no existir la posibilidad de interacción entre las palas y la torre, se
pueden emplear materiales para las palas que permitan una mayor
flexibilidad, reduciendo así las cargas, el peso y finalmente el coste
del aerogenerador.
• Fluctuación del viento al pasar el rotor por la sombra de la torre,
mayores cargas de fatiga en las palas.
• Generación de mayor nivel de ruido (turbulencia de la torre impacta
sobre las palas)
Rotor a Barlovento
• Evita la influencia de la sombra de la torre, aunque siempre queda
una pequeña influencia, y por lo tanto las cargas de fatiga son
menores.
• Esta pequeña influencia es debida a que la pala que se enfrenta a la
torre, que al pasar por su cercanía se produce una caída de potencia.
• Requiere un rotor más rígido y que esté separado una distancia de la
torre, debido al riesgo de interferencia por la flexión de las palas.
Aumentan los costes de las palas al requerir materiales de mejor
propiedades mecánicas.
• Necesidad de un sistema de orientación del rotor al viento. Aumento
del coste del sistema.
Por el número de palas
• Desde el punto de vista Aerodinámico :
– El rendimiento aumenta con el número de palas. Sin embargo, se
comprueba que a partir de 3 palas el rendimiento varia poco, luego no
compensa el aumento de coste de una cuarta pala.
–La velocidad de giro óptima disminuye al aumentar el número de
palas. Para el multiplicador y el generador es especialmente beneficioso
generar electricidad a alta velocidad, pudiéndose reducir sus costes.
–Finalmente, el ruido aerodinámico (el predominante en los
aerogeneradores) es proporcional a la quinta potencia de la velocidad de
punta de pala.
• Desde el punto de vista dinámico :
– Es fundamental reducir las masas rotantes para reducir las cargas a
soportar por la estructura, debido a la cinética del rotor. El peso de cada
pala es significativo.
Por el número de palas
• Rotor de Una Pala (Monopala)
• Rotor de Dos Palas (Bipala)
• Rotor de Tres Palas (Tripala)
Rotor de Una Pala (Monopala)
• Costes reducidos al tener una sola pala.
• Velocidad de rotación elevada, por lo tanto reducción de masas y
coste de los demás elementos del aerogenerador.
• Requiere contrapeso al lado del buje opuesto a la pala para conseguir
el equilibrio del rotor.
• Desequilibrio aerodinámico que provoca esfuerzos de fatiga.
• Construcción complicada.
• Proporciona un 10% menos de energía que un aerogenerador
análogo bipala.
• Son muy ruidosos.
Rotor de Dos Palas (Bipala)
• Ahorro del coste y la masa de una pala.
• Instalación mas sencilla, puede izarse como una pieza sin maniobras
complicadas.
• Reducción de un 30% del peso total.
• Velocidades de rotación mas elevadas que los tripalas para igualdad
de potencia.
• Mayor impacto visual.
• Mayores cargas asimétricas en el buje, necesidad de bujes
basculantes, mas complejos y costosos.
• Mas sensibles a las vibraciones que los tripalas.
Rotor de Tres Palas (Tripala)
• La potencia que suministran tiene menos oscilaciones durante una
vuelta.
• Mejor equilibrio de las fuerzas giroscópicas. Reducción de los
problemas de vibraciones.
• No necesitan bujes articulados. Bujes mas simples y rígidos.
• Suavidad de funcionamiento.
• Nivel de ruido menor. Velocidad de punta de pala y de giro menores.
• Mejor en su impacto visual.
• Par de arranque un poco mayor.
• Mas pesado y complejo en su totalidad.
• Sistema de regulación mas complicado.
• Su instalación es mas complicada.
Por el Control de Potencia
• Regulación por Pérdida Aerodinámica
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Sistema sencillo ya que las palas están fijas (bajo coste)
Desaprovechamiento de la energía
Cargas elevadas (grandes ángulos de ataque)
Necesidad de un freno aerodinámico
• Regulación por Cambio de Paso
– Maximiza la eficiencia aerodinámica del rotor (cambiando el
ángulo de ataque a través del giro de las palas sobre su propio eje
= “pitchear”)
– Reduce las cargas (pequeños ángulos de ataque)
– Alta complejidad (coste elevado y reducción de la fiabilidad)
Por el Control de Potencia