AEROGENERADORUnaerogeneradores ungenerador elctricomovido por una turbina accionada por el viento (turbina elica). Sus precedentes directos son losmolinosde viento que se empleaban para la molienda y obtencin de harina. En este caso, laenerga elica, en realidad laenerga cinticadel aire en movimiento, proporciona energa mecnica a un rotorhliceque, a travs de un sistema de transmisin mecnico, hace girar el rotor de un generador, normalmente unalternadortrifsico, que convierte la energa mecnica rotacional enenerga elctrica.Los aerogeneradores pueden trabajar de manera aislada o agrupados enparques elicoso plantas de generacin elica, distanciados unos de otros, en funcin del impacto ambiental y de las turbulencias generadas por el movimiento de las palas.Ya en la primera mitad del siglo XX, la generacin de energa elctrica con rotores elicos fue bastante popular en casas aisladas situadas en zonas rurales.La energa elica se est volviendo ms popular en la actualidad, al haber demostrado la viabilidad industrial, y naci como bsqueda de una diversificacin en el abanico de generacin elctrica ante un crecimiento de la demanda y una situacin geopoltica cada vez ms complicada en el mbito de los combustibles tradicionales.

Parque elico offshore en la costa belga del Mar del Norte

AEROGENERADORES DE EJE HORIZONTALDe las diversas maneras de clasificar a los aerogeneradores la ms comn y difundida es por la disposicin de su eje de rotacin la cual a su vez se divide en aerogeneradores de eje vertical y de eje horizontal. Esta ltima es la forma ms reconocible de este tipo de mquina en la actualidad, debido a que es la ms utilizada en instalaciones de generacin elctrica de gran tamao (parques elicos). Los aerogeneradores de eje horizontal son los ms utilizados y permiten cubrir desde aplicaciones aisladas de pequea potencia (de aproximadamente 1 Kw) hasta instalaciones en grandes parques elicos, donde se puede llegar a utilizar aerogeneradorespor encima de 1 MW depotencia.Un aerogenerador de eje horizontal es, bsicamente, unamquina rotacional, el movimiento de la cual es producido por la energa cintica del viento, cuando ste acta sobre un rotor que dispone de un nmero variable de palas. El movimiento rotacionalproducido es transmitido y multiplicado mediante un multiplicador de velocidad, hasta un generador que produce la energa elctrica. Todos estos componentes se instalan sobre unagndolaque se sita arriba deuna torre de apoyo.Cada aerogenerador dispone de unmicroprocesadorque controla y regula las sus variables de puesta en marcha, funcionamiento y paro, transmitiendo toda esta informacin a la central de control de la instalacin. Igualmente, cada aerogenerador incorpora, en la base de la torre, un armario con todos los componentes elctricos (interruptores automticos, transformadores de intensidad, protectores de sobre tensin, etc.), Previos al transporte de la energa elctrica generada hasta la conexin con la red o los puntos de consumo.La energa obtenida por un aerogenerador determinado depende bsicamente de lapotencia del vientoatravesando el rotor y es directamente proporcional a la densidad del aire, la superficie barrida por sus palas y la velocidad del viento.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTOAunque existen dos tipos bsicos de aerogeneradores, eje horizontal y eje vertical, el principio de operacin es esencialmente el mismo as como su clasificacin diversa. La captacin de la energa elica se realiza mediante la accin del viento sobre las palas, las cuales estn unidas al eje a travs de un elemento denominado cubo (conjunto que recibe el nombre de rotor). El principio aerodinmico, por el cual este conjunto gira, es similar al que hace que los aviones vuelen.

Fuerzas de sustentacin y arrastre

Segn este principio, el aire que es obligado a fluir por las caras superior e inferior de una placa o perfil inclinado genera una diferencia de presiones entre ambas caras, dando origen a una fuerza resultante (R) que acta sobre el perfil. Descomponiendo esta fuerza en dos direcciones se obtiene: La fuerza de sustentacin (s), o simplemente sustentacin, de direccin perpendicular al viento. La fuerza de arrastre (a), de direccin paralela al viento. Para favorecer la circulacin del aire sobre la superficie de las palas, evitar la formacin de torbellinos y maximizar la diferencia de presiones, se eligen perfiles de pala con formas convenientes desde el punto de vista aerodinmico. Segn como estn montadas las palas con respecto al viento y al eje de rotacin, la fuerza que producir el par motor ser dominantemente la fuerza de arrastre o la de sustentacin. Con excepcin de las panmonas y los rotores tipo Savonius, en todas las mquinas modernas la fuerza dominante es la de sustentacin pues permite obtener, con menor peso y costo, mayores potencias por unidad de rea del rotor. Como la fuerza de sustentacin es la nica que dar origen al par o cupla motora, habr que disear el perfil y ubicar las palas dndole un ngulo de ataque () que haga mxima la relacin fuerza de sustentacin/fuerza de arrastre. Este anlisis simple es solo vlido cuando las palas de un molino estn en reposo. Al permitir el giro del rotor, la fuerza resultante sobre las palas ser el resultado de la combinacin de la accin directa del viento real (U) y la accin del "viento" (V) creado por las propias palas al girar. Dicho con otras palabras, el viento que "ven" las palas no es ms el viento real (U) sino el llamado viento aparente (Vr), resultante de la composicin de los vectores V y U. Como cada seccin de una pala tiene velocidad diferente del viento aparente tambin vara en el sentido longitudinal; por lo tanto, una pala ideal deber presentar un ngulo de incidencia diferente a lo largo de toda su longitud, efecto que se logra dndole un alabeo. Asimismo, y tambin porque las velocidades son ms altas al acercarse a la punta de pala, el perfil podr tener menores dimensiones para obtener la misma fuerza resultante. Estas consideraciones son particularmente importantes en mquinas de gran tamao. En molinos pequeos, por razones de simplicidad y fundamentalmente costos, se acostumbra optar por palas de seccin constante y sin alabeo.

Efectos del viento sobre un elemento de pala

Viento aparente

Si el viento no supera la denominada velocidad de puesta en marcha (valor mnimo necesario para vencer los rozamientos y comenzar a producir trabajo til) no es posible el arranque de un molino. Con velocidades mayores comenzar a girar entregando una potencia que responde a la conocida ley del cubo de la velocidad. Esto ser as hasta que se alcance la potencia nominal, generalmente la mxima que puede entregar, punto en que comienzan a actuar mecanismos activos o pasivo de regulacin para evitar que la mquina trabaje bajo condiciones para las cuales no fue diseada. Continuar operando a velocidades mayores, aunque la potencia entregada no ser muy diferente a la nominal, hasta que se alcance la velocidad de corte donde, por razones de seguridad, se detiene. Estos parmetros vienen especificados en lo que se denomina las curvas de potencia de la mquina que es un grfico que muestra el desempeo de la mquina a distintas velocidades de operacin. En el siguiente grfico se presenta una curva tpica de potencia, as como los puntos de importancia que deben de tenerse en cuenta durante su estudio.

Rendimiento tpico de un aerogenerador pequeo

Donde: Va = Velocidad de arranque. Vn = Velocidad nominal. Vc = Velocidad de corte.

AEROGENERADORES DE EJE HORIZONTALDe las diversas maneras de clasificar a los aerogeneradores la ms comn y difundida es por la disposicin de su eje de rotacin la cual a su vez se divide en aerogeneradores de eje vertical y de eje horizontal. Esta ltima es la forma ms reconocible de este tipo de mquina en la actualidad, debido a que es la ms utilizada en instalaciones de generacin elctrica de gran tamao (parques elicos). Los aerogeneradores de eje horizontal son los ms utilizados y permiten cubrir desde aplicaciones aisladas de pequea potencia (de aproximadamente 1 Kw) hasta instalaciones en grandes parques elicos, donde se puede llegar a utilizar aerogeneradorespor encima de 1 MW depotencia.Un aerogenerador de eje horizontal es, bsicamente, unamquina rotacional, el movimiento de la cual es producido por la energa cintica del viento, cuando ste acta sobre un rotor que dispone de un nmero variable de palas. El movimiento rotacionalproducido es transmitido y multiplicado mediante un multiplicador de velocidad, hasta un generador que produce la energa elctrica. Todos estos componentes se instalan sobre unagndolaque se sita arriba deuna torre de apoyo.Cada aerogenerador dispone de unmicroprocesadorque controla y regula las sus variables de puesta en marcha, funcionamiento y paro, transmitiendo toda esta informacin a la central de control de la instalacin. Igualmente, cada aerogenerador incorpora, en la base de la torre, un armario con todos los componentes elctricos (interruptores automticos, transformadores de intensidad, protectores de sobre tensin, etc.), Previos al transporte de la energa elctrica generada hasta la conexin con la red o los puntos de consumo.La energa obtenida por un aerogenerador determinado depende bsicamente de lapotencia del vientoatravesando el rotor y es directamente proporcional a la densidad del aire, la superficie barrida por sus palas y la velocidad del viento.PARTES:Los componentes principales de un aerogenerador de eje horizontal son: Torre:Soporta la gndola y el rotor. Tiene un altura de entre 40 a 60 metros, ya que la velocidad del viento aumenta segn se aleja del nivel del suelo, a lo largo de ella hay una escalera para acceder a la gndola. Sistema de orientacin:Est activado por el controlador electrnico, vigila la direccin del viento utilizando la veleta y su velocidad con unanemmetro. Controlador electrnico:Es un ordenador que controla continuamente las condiciones del aerogenerador y del mecanismo de orientacin. En caso de cualquier anomala detiene el aerogenerador y avisa al ordenador del operario de mantenimiento de la turbina. Gndola:Contiene los componentes clave del aerogenerador, el multiplicador y el generador elctrico. El personal de servicio puede acceder al interior de la gndola desde la torre. Palas del rotor:Capturan la energa del viento y la transmiten hacia el rotor. Cada pala mide entre 25 a 35 metros de longitud y su diseo es muy parecido al del ala de un avin, construido de material resistente y ligero. Rotor:El rotor es donde la energa cintica del viento se convierte en energa rotativa, est acoplado al eje de baja velocidad del generador. En un aerogenerador moderno de 1 MW el rotor gira muy lento, a unas 19 a 30 revoluciones por minuto (r.p.m.), est dotado de un freno aerodinmico que detiene el rotor cuando la velocidad del viento puede ser peligrosa para el equipo. Freno:Est equipado con un freno de disco mecnico de emergencia, que se utiliza en caso de fallo del freno aerodinmico, o durante las labores de mantenimiento de la turbina. Multiplicador:Permite que el generador gire a una velocidad ms elevada que la de la turbina (normalmente entre 750 y 1500 rpm),para que su tamao sea reducido (est alojado en la gndola). Generador elctrico:En los aerogeneradores modernos la potencia mxima suele estar entre 800 y 1.500 kW.

Componentes de un aerogenerador de eje horizontalTIPOS: Molinos de viento convencionales: Son los clsicos molinos usados antiguamente y que en la actualidad se conservan como recuerdo histrico pero sin prestar servicio.

Esquema de un clsico molino de viento

Sus caractersticas principales son: Longitud de la palas: entre 5 y 15 m, y su anchura del orden de un 20% de su longitud. El material del que se construan es de madera. Velocidad de rotacin: variable entre 10 y 40 rpm, en funcin de la longitud de las palas, correspondiendo los valores menores a las palas de mayor longitud. La orientacin 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 pequea elica auxiliar que actuaba en forma de veleta de orientacin.

Aerogeneradores lentos: Es un generador con un elevado nmero de palas. Generalmente su sistema de orientacin es mediante un timn-veleta que hace que el plano de la hlice se site siempre perpendicular a la direccin del viento.

Aerogenerador lento (18 palas) utilizado como aerobombaSus caractersticas fundamentales son: Nmero de palas elevado, entre 12 y 24. Dimetro entre 3 y 10 m, limitado por el elevado peso del rotor.Se adaptan muy bien a vientos de pequea velocidad. Su arranque se produce a partir de una velocidad del viento entre 2 y 3 m/s. Potencias pequeas debido bsicamente a dos razones: usan vientos de baja velocidad (entre 3 y 7 m/s) y tienen un dimetro limitado por el peso del rotor debido al elevado nmero de palas. Su campo de aplicacin fundamentalmente se centra en las instalaciones de extraccin y bombeo de agua. Presentan un valor elevado del coeficiente de par elevado para pequeos valores de velocidad especfica.

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

Las caractersticas principales son: Reducido nmero de palas, entre 1 y 4, aunque los ms usados son de 3 palas. Mquinas ms ligeras que las elicas lentas, y por lo tanto pueden construirse de mayor tamao. Requieren una velocidad del viento para su arranque mayor que las elicas lentas (entre 4 y 5 m/s). Poseen un par de arranque menor. Alcanzan su potencia nominal para velocidades 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 daos sobre la mquina. En los aerogeneradores rpidos, el valor mximo del coeficiente de potencia se sita en el entorno de Cp=0,4.Se utilizan para la generacin de energa elctrica, pudiendo ser en sistemas aislados o conectados a la red. Los generadores utilizados en sistemas aislados generalmente son ms pequeos (de 3 a 50 KW) que los que se conectan a la red elctrica (de 250 a 3000 KW).

Nmero de palas:

Diferentes disposiciones segn el nmero de palasRotores monopala:Permite una mayor velocidad de rotacin, reduccin de masas y costes de material, en las palas, en la caja multiplicadora y en el generador. Tienen el inconveniente de necesitar un equilibrado muy preciso con un contrapeso de compensacin, y existe un mayor riesgo de desequilibrio aerodinmico y vibraciones con la aparicin de cargas de fatiga. Tambin aumenta la generacin 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 tambin la desventaja respecto a ste ultimo de un mayor nivel de esfuerzos dinmicos. De forma similar a rotor monopala se producen esfuerzos mecnicos originados por la variacin del perfil de la velocidad del viento con la altura. Adems estos rotores presentan respecto a los tripalas un mayor nivel de vibraciones y de ruido.

Rotores tripala:Presentan como principal ventaja la de un giro ms suave y uniforme debido a las propiedades de su momento de inercia, por lo que se mniminiza la induccin de esfuerzos sobre la estructura. Adems gira a menor velocidad que los rotores mono y bipala, disminuyendo as los esfuerzos de la fuerza centrfuga, el nivel de vibraciones y la produccin de ruido. En la actualidad el rotor tripala es la configuracin ms usada en turbinas elicas rpidas dedicadas a la generacin de electricidad.

Disposicin del rotor con relacin al viento:

Diferentes disposiciones con relacin al vientoRotor a sotavento:No requieren ningn tipo de dispositivo de orientacin. Su desventaja radica en los efectos de sombra de la gndola y de la torre sobre las palas del rotor con la consiguiente prdida de potencia y aumento de tensiones de fatiga, adems, se pueden producir enrrollos en el cable conductor que transporta la energa producida por el generador situado en la gndola que gira libremente.Rotor a barlovento:El viento incide primero sobre el palmo del rotor y posteriormente sobre la torre de sustentacin, con lo cual se minimiza el efecto de sombra sobre el rotor, y la aparicin de vibraciones y esfuerzos de fatiga sobre las palas del rotor. Este tipo de disposicin requiere un rotor ms rgido y ms alejado de la torre a fin de evitar interferencias entre lo labes del rotor y la torre debido a la flexin de los mismo por el esfuerzo de empuje del viento.Este rotor, a diferencia del rotor a sotavento, necesita un sistema de orientacin que mantenga siempre el plano de giro de rotor orientado perpendicularmente a la direccin del viento.Ventaja de los aerogeneradores rpidos frente a los lentos Son mucho ms ligeros y econmicos a igualdad de dimetros, por lo cual se construyen con grandes dimetros (40 a 90 m) y con rotores situados a elevadas alturas (hasta unos 100 m). Disponindose de generadores elicos de gran potencia (0,5 a 3 MW). Ya que se pueden construir rotores que barran reas elevadas y beneficiarse con el aumento de velocidad del viento con la altura. Resisten mejor los esfuerzos provocados por las rfagas de viento. Al tener menor nmero de palas es ms fcil incorporar mecanismos que permitan el giro de las mismas alrededor de la torre para lograr regular la potencia de generacin o proteger el rotor en caso de vientos muy fuertes. El empuje axial debido a la accin del viento sobre el rotor parado es menor en las elicas rpidas que cuando est girando, no sucediendo esto en las lentas. Al girar ms rpidas, el tamao y coste de la caja multiplicadora que acciona el generador elctrico se reduce. En los grandes aerogeneradores la velocidad de rotacin est 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 elicas rpidas tienen el inconveniente de presentar un par o momento de arranque mucho menor que las elicas lentas.

BIBLIOGRAFA Aerogenerador [Documento en lnea]. Disponible en: http://es.wikipedia.org/wiki/Aerogenerador [26 de abril de 2014]. Aerogenerador: Como funciona y tipos [Documento en lnea]. Disponible en: http://www.renovablesverdes.com/aerogenerador-como-funciona-y-tipos/ [27 de abril de 2014]. Componenetes de un aerogenerador [Documento en lnea]. Disponible en: http://e-ducativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/1000/1088/html/21_componentes_de_un_aerogenerador.html [27 de abril de 2014]. Energa elica: Tipos de generadores elicos y sus aplicaciones [Documento en lnea]. Disponible en: http://tipos-de-energia.blogspot.com/2006/02/energa-elica-tipos-de-generadores.html [28 de abril de 2014]. Mecanismos para el aprovechamiento elico: Las mquinas elicas [Documento en lnea]. Disponible en: http://www.monografias.com/trabajos-pdf2/mecanismos-aprovechamiento-eolico-maquinas/mecanismos-aprovechamiento-eolico-maquinas.pdf [27 de abril de 2014].

INTRODUCCINLaenerga elicaes la energa obtenida del viento, es decir, la energa cintica generada por efecto de las corrientes de aire, y que es transformada en otras formas tiles para las actividades humanas.Laenerga elicaes un recurso abundante, renovable, limpio y ayuda a disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero al reemplazar termoelctricas a base de combustibles fsiles, lo que la convierte en un tipo de energa verde. Sin embargo, el principal inconveniente es su intermitencia.En la actualidad, laenerga elicaes utilizada principalmente para producir energa elctrica mediante aerogeneradores.Los aerogeneradores poseen diversas clasificaciones, pero sin embargo la ms utilizada es la clasificacin por la disposicin de su eje de rotacin, la cual consta de dos tipos: los de eje vertical y los de eje horizontal. Los aerogeneradores de eje horizontal son los ms reconocibles y utilizados para la generacin de energa elctrica a gran escala en la actualidad debido a su considerable eficiencia, aunque tambin pueden ser utilizados para instalaciones particulares, lo que demuestra su versatilidad. Con la popularidad de las energas renovables creciendo debido a los problemas energticos y ambientales que se avistan en el futuro cercano debido al abuso sobre la utilizacin de combustibles fsiles, estas instalaciones se han convertido en un smbolo de avance y armona con el ambiente en todo el mundo.

CONCLUSINLos aerogeneradores son la herramienta por excelencia para el aprovechamiento de la energa elica y entre todos los diversos tipos que existen destacan los de eje horizontal, los cuales son por lejos los ms representativos de este tipo de mquinas. Aunque su principio de funcionamiento es igual al de los aerogeneradores de eje vertical, estos son ms utilizados debido al hecho de que pueden captar las altas velocidades de vientos que se producen a las considerables alturas en las que son instalados. Haciendo uso de cultura general se puede observar que estos aparatos, dentro de los que abarcan las energas alternativas, son algunos en los que se ha invertido mayor tiempo y dinero para su desarrollo tecnolgico, hasta el punto de ser parcialmente autnomos, siendo capaces de detenerse automticamente o de notificar al personal de mantenimiento en caso de que se presente algn desperfecto. Es este tipo de generador el que se ha escogido para introducir la energa elica al mundo como una alternativa seria a suplir a los combustibles fsiles como fuentes de generacin de energa elctrica.

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTALFRANCISCO DE MIRANDA REA DE TECNOLOGA COMPLEJO ACADMICO EL SABINO PROGRAMA DE INGENIERA MECNICA ELECTIVA I (INT. ING. RENOVABLES)

AEROGENERADORES DE EJE HORIZONTAL

AUTORMANUEL BRAVOC.I. 20.796.541