El diseño de un aerogenerador es el proceso de definir la forma y configuración de un aerogenerador para extraer energía del viento . [1] Una instalación consta de los sistemas necesarios para capturar la energía del viento, orientar la turbina hacia el viento, convertir la rotación mecánica en energía eléctrica y otros sistemas para arrancar, detener y controlar la turbina.
En 1919, el físico alemán Albert Betz demostró que para una hipotética máquina ideal de extracción de energía eólica, las leyes fundamentales de conservación de masa y energía no permitían capturar más de 16/27 (59,3%) de la energía cinética del viento. Este límite de la ley de Betz puede alcanzarse mediante diseños de turbinas modernas que alcanzan entre el 70 y el 80% de este límite teórico.
Además de las palas, el diseño de un sistema de energía eólica completo también debe abordar el eje, los controles, el generador, la estructura de soporte y los cimientos. Las turbinas también deben integrarse en las redes eléctricas.
La forma y dimensión de la pala están determinadas por el rendimiento aerodinámico requerido para extraer energía de manera eficiente y por la fuerza requerida para resistir las fuerzas sobre la pala.
La aerodinámica de una turbina eólica de eje horizontal no es sencilla. El flujo de aire en las palas no es el mismo que el que sale de la turbina. La forma en que se extrae energía del aire también hace que la turbina desvíe el aire. La aerodinámica de las turbinas eólicas en la superficie del rotor exhibe fenómenos que rara vez se observan en otros campos aerodinámicos.
La velocidad de rotación debe controlarse para generar energía eficiente y mantener los componentes de la turbina dentro de los límites de velocidad y par. La fuerza centrífuga sobre las palas aumenta con el cuadrado de la velocidad de rotación, lo que hace que esta estructura sea sensible al exceso de velocidad. Debido a que la potencia aumenta con el cubo de la velocidad del viento, las turbinas deben soportar cargas de viento mucho más altas (como ráfagas de viento) que aquellas cargas a partir de las cuales generan energía.
Una turbina eólica debe producir energía en un rango de velocidades del viento. La velocidad de conexión es de alrededor de 3 a 4 m/s para la mayoría de las turbinas y la velocidad de corte es de 25 m/s. [2] Si se excede la velocidad nominal del viento, se debe limitar la potencia.
Un sistema de control implica tres elementos básicos: sensores para medir las variables del proceso, actuadores para manipular la captura de energía y la carga de componentes, y algoritmos de control que aplican la información recopilada por los sensores para coordinar los actuadores. [3]
Cualquier viento que sople por encima de la velocidad de supervivencia daña la turbina. La velocidad de supervivencia de las turbinas eólicas comerciales varía de 40 m/s (144 km/h, 89 MPH) a 72 m/s (259 km/h, 161 MPH), normalmente alrededor de 60 m/s (216 km/h, 134 MPH). Algunas turbinas pueden sobrevivir a 80 metros por segundo (290 km/h; 180 mph). [4]
Una pérdida en un perfil aerodinámico ocurre cuando el aire pasa sobre él de tal manera que la generación de sustentación disminuye rápidamente. Normalmente esto se debe a un alto ángulo de ataque (AOA), pero también puede deberse a efectos dinámicos. Las palas de una turbina de paso fijo pueden diseñarse para detenerse con vientos de alta velocidad, lo que ralentiza la rotación. [5] Este es un mecanismo simple a prueba de fallas para ayudar a prevenir daños. Sin embargo, aparte de los sistemas con paso controlado dinámicamente, no puede producir una salida de potencia constante en un amplio rango de velocidades del viento, lo que lo hace menos adecuado para aplicaciones de redes eléctricas a gran escala . [6]
Una HAWT (turbina eólica de eje horizontal) de velocidad fija aumenta inherentemente su ángulo de ataque a mayor velocidad del viento a medida que las palas se aceleran. Una estrategia natural, entonces, es permitir que la pala se detenga cuando aumenta la velocidad del viento. Esta técnica se utilizó con éxito en muchos de los primeros HAWT. Sin embargo, el grado de inclinación de las palas tendía a aumentar los niveles de ruido.
Se pueden utilizar generadores de vórtice para controlar las características de elevación de las palas. Los VG se colocan en el perfil aerodinámico para mejorar la sustentación si se colocan en la superficie inferior (más plana) o limitan la sustentación máxima si se colocan en la superficie superior (comba mayor). [7]
El enrollado funciona disminuyendo el ángulo de ataque, lo que reduce la resistencia y la sección transversal de la pala. Un problema importante es lograr que las palas se detengan o se enrollen lo suficientemente rápido ante una ráfaga de viento. Una pala de turbina completamente plegada, cuando está detenida, mira el borde de la pala hacia el viento.
Las cargas se pueden reducir haciendo que un sistema estructural sea más suave o más flexible. [3] Esto se puede lograr con rotores a favor del viento o con palas curvas que giran naturalmente para reducir el ángulo de ataque a velocidades de viento más altas. Estos sistemas son no lineales y acoplan la estructura al campo de flujo, lo que requiere que las herramientas de diseño evolucionen para modelar estas no linealidades.
Todas las turbinas estándar se enrollan con vientos fuertes. Dado que el enrollado requiere actuar contra el par de la pala, requiere algún tipo de control del ángulo de paso, que se logra con un mecanismo de giro . Esta unidad inclina la hoja con precisión mientras soporta cargas de torsión elevadas. Además, muchas turbinas utilizan sistemas hidráulicos. Estos sistemas suelen estar accionados por resorte, de modo que si falla la energía hidráulica, las palas se enrollan automáticamente. Otras turbinas utilizan un servomotor eléctrico para cada pala. Disponen de batería de reserva en caso de fallo de red. Los aerogeneradores pequeños (menos de 50 kW) con paso variable generalmente utilizan sistemas operados por fuerza centrífuga, ya sea mediante contrapesos o diseño geométrico, y evitan controles eléctricos o hidráulicos.
Existen lagunas fundamentales en el control del tono, lo que limita la reducción de los costes energéticos, según un informe financiado por el Centro Atkinson para un Futuro Sostenible . Actualmente, la reducción de carga se centra en el control del paso de las palas en toda la envergadura, ya que los motores de paso individuales son los actuadores de las turbinas comerciales. Se ha demostrado una importante mitigación de carga en simulaciones de palas, torres y trenes de transmisión. Sin embargo, se necesitan más investigaciones para aumentar la captura de energía y mitigar las cargas de fatiga.
Una técnica de control aplicada al ángulo de paso se realiza comparando la potencia de salida con el valor de potencia a la velocidad nominal del motor (referencia de potencia, referencia Ps). El control de tono se realiza con el controlador PI. Para ajustar el paso lo suficientemente rápido, el actuador utiliza la constante de tiempo Tservo, un integrador y limitadores. El ángulo de paso permanece de 0° a 30° con una tasa de cambio de 10°/segundo.
Como en la figura de la derecha, el ángulo de paso de referencia se compara con el ángulo de paso real b y luego el actuador corrige la diferencia. El ángulo de paso de referencia, que proviene del controlador PI, pasa por un limitador. Las restricciones son importantes para mantener el ángulo de cabeceo en términos reales. Limitar la tasa de cambio es especialmente importante durante fallas de red. La importancia se debe a que el controlador decide qué tan rápido puede reducir la energía aerodinámica para evitar la aceleración durante los errores. [3]
Las grandes turbinas eólicas modernas funcionan a velocidades variables. Cuando la velocidad del viento cae por debajo de la velocidad nominal de la turbina, se utiliza el par del generador para controlar la velocidad del rotor y capturar la mayor cantidad de energía posible. La mayor potencia se captura cuando la relación de velocidad de la punta se mantiene constante en su valor óptimo (normalmente entre 6 y 7). Esto significa que la velocidad del rotor aumenta proporcionalmente a la velocidad del viento. La diferencia entre el par aerodinámico capturado por las palas y el par aplicado del generador controla la velocidad del rotor. Si el par del generador es menor, el rotor acelera y si el par del generador es mayor, el rotor se desacelera. Por debajo de la velocidad nominal del viento, el control de par del generador está activo mientras que el paso de las palas normalmente se mantiene en el ángulo constante que captura la mayor potencia, bastante plano con respecto al viento. Por encima de la velocidad nominal del viento, el par del generador normalmente se mantiene constante mientras que el paso de las aspas se ajusta en consecuencia.
Una técnica para controlar un motor síncrono de imanes permanentes es el control orientado a campos . El control orientado al campo es una estrategia de bucle cerrado compuesta por dos controladores de corriente (un bucle interior y un bucle exterior en cascada) necesarios para controlar el par y un controlador de velocidad.
En esta estrategia de control, la corriente del eje d se mantiene en cero, mientras que la corriente del vector se alinea con el eje q para mantener el ángulo de torsión en 90 o . Esta es una estrategia de control común porque sólo se debe controlar la corriente Iqs. La ecuación de par del generador es una ecuación lineal que depende únicamente de la corriente Iqs.
Entonces, el par electromagnético para Ids = 0 (lo podemos lograr con el controlador del eje d) es ahora:
Por lo tanto, la figura muestra el sistema completo del convertidor del lado de la máquina y los bucles del controlador PI en cascada. Las entradas de control son las relaciones de trabajo m ds y m qs del convertidor regulado por PWM. Muestra el esquema de control del aerogenerador en el lado de la máquina y simultáneamente cómo el I ds a cero (la ecuación de par es lineal).
Las turbinas grandes normalmente se controlan activamente para que miren la dirección del viento medida por una veleta situada en la parte posterior de la góndola . Al minimizar el ángulo de guiñada (la desalineación entre la dirección de orientación del viento y la turbina), se maximiza la producción de energía y se minimizan las cargas no simétricas. Sin embargo, dado que la dirección del viento varía, la turbina no sigue estrictamente el viento y experimenta un ángulo de guiñada pequeño en promedio. Se puede estimar que las pérdidas de potencia de salida caen con ( cos (ángulo de guiñada)) 3 . Especialmente a velocidades de viento bajas a medias, la guiñada puede reducir significativamente la producción, con variaciones comunes del viento que alcanzan los 30°. A altas velocidades del viento, la dirección del viento es menos variable.
Se puede frenar una turbina pequeña descargando energía del generador a un banco de resistencias , convirtiendo la energía cinética en calor. Este método es útil si la carga cinética del generador se reduce repentinamente o es demasiado pequeña para mantener la velocidad de la turbina dentro de su límite permitido.
El frenado cíclico ralentiza las palas, lo que aumenta el efecto de pérdida y reduce la eficiencia. La rotación se puede mantener a una velocidad segura con vientos más rápidos mientras se mantiene la potencia de salida (nominal). Este método normalmente no se aplica en grandes turbinas eólicas conectadas a la red.
Un freno de tambor mecánico o un freno de disco detiene la rotación en situaciones de emergencia, como ráfagas extremas. El freno es un medio secundario para mantener la turbina en reposo para su mantenimiento, teniendo como medio primario un sistema de bloqueo del rotor. Estos frenos generalmente se aplican sólo después de que el enrollado de las palas y el frenado electromagnético hayan reducido la velocidad de la turbina porque los frenos mecánicos pueden provocar un incendio dentro de la góndola si se usan a toda velocidad. La carga de la turbina aumenta si el freno se aplica a las RPM nominales .
Las turbinas vienen en clases de tamaño. Las más pequeñas, con una potencia inferior a 10 kW, se utilizan en hogares, granjas y aplicaciones remotas, mientras que las turbinas eólicas intermedias (10-250 kW) son útiles para energía rural, sistemas híbridos y energía distribuida . La turbina eólica más grande del mundo en 2021 era la turbina V236-15,0 MW de Vestas . Las palas del nuevo diseño ofrecen el área de barrido más grande del mundo con tres palas de 115,5 metros (379 pies) que dan un diámetro de rotor de 236 metros (774 pies). Ming Yang en China ha anunciado un diseño más grande de 16 MW. [8] [9]
Para una velocidad del viento dada, la masa de la turbina es aproximadamente proporcional al cubo de la longitud de sus palas. La energía eólica interceptada es proporcional al cuadrado de la longitud de la pala. [10] La longitud máxima de las palas de una turbina está limitada por consideraciones de resistencia, rigidez y transporte.
Los costos de mano de obra y mantenimiento aumentan más lentamente que el tamaño de la turbina, por lo que, para minimizar los costos, las turbinas de los parques eólicos están básicamente limitadas por la resistencia de los materiales y los requisitos de ubicación.
Los generadores de turbinas eólicas a escala comercial tienen límites mínimos de temperatura operativa que se aplican en áreas con temperaturas inferiores a -20 °C (-4 °F). Las turbinas deben protegerse de la acumulación de hielo que puede hacer que las lecturas del anemómetro sean inexactas y que, en ciertos diseños de control de turbinas, pueden causar cargas elevadas y daños a la estructura. Algunos fabricantes de turbinas ofrecen paquetes de baja temperatura a un costo adicional, que incluyen calentadores internos, diferentes lubricantes y diferentes aleaciones para los elementos estructurales. Si las bajas temperaturas se combinan con una condición de poco viento, la turbina requiere un suministro externo de energía, equivalente a un pequeño porcentaje de su potencia nominal, para el calentamiento interno. Por ejemplo, el parque eólico St. Leon en Manitoba , Canadá, tiene una potencia total de 99 MW y se estima que necesitará hasta 3 MW (alrededor del 3 % de la capacidad) de energía de servicio de la estación unos días al año para temperaturas de hasta −30 °C (−22 °F). [ cita necesaria ]
La góndola alberga la caja de cambios y el generador que conectan la torre y el rotor. Los sensores detectan la velocidad y dirección del viento y los motores giran la góndola hacia el viento para maximizar la producción.
En las turbinas eólicas convencionales, las palas hacen girar un eje que está conectado a través de una caja de cambios al generador. La caja de cambios convierte la velocidad de giro de las palas (15 a 20 RPM para una turbina de un megavatio) en las 1.800 (750-3600) RPM que el generador necesita para generar electricidad. [11] Las cajas de cambios son uno de los componentes más caros para la instalación y el mantenimiento de turbinas eólicas. Los analistas de GlobalData estiman que el mercado de cajas de cambios creció de 3.200 millones de dólares en 2006 a 6.900 millones de dólares en 2011. El líder del mercado de producción de cajas de cambios fue Winergy en 2011. [12] Se ha explorado el uso de cajas de cambios magnéticas como una forma de reducir los costes de mantenimiento. [13]
Para grandes turbinas eólicas de eje horizontal (HAWT), el generador [14] se monta en una góndola en la parte superior de una torre, detrás del cubo del rotor. Las turbinas eólicas más antiguas generan electricidad a través de máquinas asíncronas conectadas directamente a la red. La caja de cambios reduce el costo y el peso del generador. Los generadores comerciales tienen un rotor que lleva un devanado de modo que se produce un campo magnético giratorio dentro de un conjunto de devanados llamado estator . Mientras que el devanado giratorio consume una fracción de un porcentaje de la salida del generador, el ajuste de la corriente de campo permite un buen control sobre el voltaje de salida.
La frecuencia de salida y el voltaje variables del rotor se pueden adaptar a los valores fijos de la red utilizando múltiples tecnologías, como generadores de inducción doblemente alimentados o convertidores de efecto completo, que convierten la corriente de frecuencia variable a CC y luego nuevamente a CA mediante inversores . Aunque estas alternativas requieren equipos costosos y energía costosa, la turbina puede capturar una fracción significativamente mayor de la energía eólica. La mayoría son de baja tensión de 660 voltios, pero algunas turbinas marinas (varios MW) son de media tensión de 3,3 kV . [15]
En algunos casos, especialmente en alta mar, un gran transformador colector convierte la red de CA de media tensión del parque eólico en CC y transmite la energía a través de un cable de alimentación a una estación convertidora HVDC en tierra .
Las turbinas eólicas hidráulicas realizan los ajustes de frecuencia y par de las cajas de engranajes mediante un fluido hidráulico presurizado. Normalmente, la acción de la turbina presuriza el fluido con una bomba hidráulica en la góndola. Mientras tanto, los componentes en tierra pueden transformar esta presión en energía y recircular el fluido de trabajo. Normalmente, el fluido de trabajo utilizado en este tipo de transmisiones hidrostáticas es aceite, el cual sirve como lubricante, reduciendo las pérdidas por fricción en las unidades hidráulicas y permitiendo un amplio rango de temperaturas de operación. Sin embargo, actualmente se están estudiando otros conceptos que implican el uso de agua como fluido de trabajo porque es abundante y ecológica. [dieciséis]
Las turbinas hidráulicas brindan beneficios tanto en términos de operación como de costos de capital. Pueden utilizar unidades hidráulicas de cilindrada variable para tener una transmisión continuamente variable que se adapta en tiempo real. Esto desacopla la velocidad del generador de la velocidad del rotor, evitando el bloqueo y permitiendo operar la turbina a una velocidad y un par óptimos. [17] Esta transmisión incorporada es la forma en que estos sistemas hidráulicos evitan la necesidad de una caja de cambios convencional. Además, la conversión de potencia hidráulica en lugar de mecánica introduce un efecto de amortiguación en las fluctuaciones de rotación, lo que reduce la fatiga del tren motriz y mejora la integridad estructural de la turbina. Además, el uso de un fluido presurizado en lugar de componentes mecánicos permite que la conversión eléctrica se produzca en el suelo en lugar de en la góndola: esto reduce la dificultad de mantenimiento y reduce el peso y el centro de gravedad de la turbina. [18] Los estudios estiman que estos beneficios pueden dar lugar a una reducción del 3,9% al 18,9% en el coste nivelado de la energía para las turbinas eólicas marinas. [19]
Hace algunos años, Mitsubishi, a través de su filial Artemis, implementó el Sea Angel, una turbina eólica hidráulica única a escala de servicios públicos. La tecnología de Desplazamiento Digital se sometió a pruebas en el Sea Angel, un aerogenerador de 7 MW. Este diseño es capaz de ajustar el desplazamiento de la unidad central en respuesta a velocidades erráticas del viento, manteniendo así la eficiencia óptima del sistema. [20] Aún así, estos sistemas son más nuevos y se encuentran en etapas más tempranas de comercialización en comparación con las cajas de cambios convencionales. [21]
Los aerogeneradores sin engranajes (también llamados de accionamiento directo ) eliminan la caja de cambios. En cambio, el eje del rotor está conectado directamente al generador, que gira a la misma velocidad que las palas.
Las ventajas de los generadores de accionamiento directo de imanes permanentes (PMDD) sobre los generadores con engranajes incluyen mayor eficiencia, reducción de ruido, mayor vida útil, alto par a bajas RPM, posicionamiento más rápido y preciso, y rigidez de la transmisión. Los generadores PMDD "eliminan el aumentador de velocidad del engranaje, que es susceptible a una carga de par de fatiga acumulada significativa, problemas de confiabilidad relacionados y costos de mantenimiento". [22]
Para compensar la velocidad de rotación más lenta de un generador de accionamiento directo, se aumenta el diámetro del rotor del generador para que pueda contener más imanes para crear la frecuencia y potencia requeridas. Las turbinas eólicas sin engranajes suelen ser más pesadas que las turbinas eólicas con engranajes. Un estudio de la UE demostró que la fiabilidad de las cajas de cambios no es el principal problema en las turbinas eólicas. [ cita necesaria ] Aún se desconoce la confiabilidad de las turbinas de accionamiento directo en alta mar, dado el pequeño tamaño de la muestra.
Expertos de la Universidad Técnica de Dinamarca estiman que un generador con engranajes con imanes permanentes puede necesitar 25 kg/MW del elemento de tierras raras neodimio , mientras que uno sin engranajes puede utilizar 250 kg/MW. [23]
En diciembre de 2011, el Departamento de Energía de Estados Unidos anunció una escasez crítica de elementos de tierras raras como el neodimio. [24] China produce más del 95% [24] : 9 de los elementos de tierras raras, mientras que Hitachi posee más de 600 patentes que cubren imanes de neodimio . [24] : 56 Las turbinas de accionamiento directo requieren 600 kg de material magnético permanente por megavatio, lo que se traduce en varios cientos de kilogramos de contenido de tierras raras por megavatio, [24] : 20 ya que se estima que el contenido de neodimio es el 31 % del peso del imán. . Las transmisiones híbridas (intermedias entre transmisión directa y engranajes tradicionales) utilizan significativamente menos materiales de tierras raras. Si bien las turbinas eólicas de imán permanente sólo representan alrededor del 5% del mercado fuera de China, su participación de mercado dentro de China se estima en un 25% o más. [24] : 20 En 2011, se estimó que la demanda de neodimio en turbinas eólicas era 1/5 de la de vehículos eléctricos. [24] : 91
La relación entre la velocidad de la pala y la velocidad del viento se llama relación punta-velocidad . Las turbinas de tres palas de alta eficiencia tienen relaciones entre velocidad punta y velocidad del viento de 6 a 7. Las turbinas eólicas giran a diferentes velocidades (una consecuencia del diseño de su generador). El uso de aluminio y materiales compuestos ha contribuido a una baja inercia rotacional , lo que significa que las turbinas eólicas más nuevas pueden acelerar rápidamente si los vientos aumentan, manteniendo la relación de velocidad punta casi constante. Operar más cerca de su relación óptima de velocidad punta durante ráfagas de viento energéticas permite a las turbinas eólicas mejorar la captura de energía de ráfagas repentinas.
El ruido aumenta con la velocidad punta. Aumentar la velocidad punta sin aumentar el ruido reduciría el par en la caja de cambios y el generador, reduciendo las cargas estructurales y reduciendo así los costos. [3] La reducción de ruido está relacionada con la aerodinámica detallada de las palas, especialmente factores que reducen la pérdida abrupta. La incapacidad de predecir la pérdida restringe el uso de una aerodinámica agresiva. [3] Algunas palas (principalmente en Enercon ) tienen un ala para aumentar el rendimiento y reducir el ruido. [25]
Una pala puede tener una relación elevación-arrastre de 120, [26] en comparación con 70 para un planeador y 15 para un avión de pasajeros. [27]
En diseños simples, las palas están atornilladas directamente al buje y no pueden cabecear, lo que provoca una pérdida aerodinámica a ciertas velocidades del viento. En diseños más sofisticados, están atornillados al cojinete de paso , que ajusta su ángulo de ataque con la ayuda de un sistema de paso en función de la velocidad del viento. [28] El control del paso se realiza mediante sistemas hidráulicos o eléctricos ( batería o ultracondensador ). [29] El cojinete primitivo está atornillado al cubo. El cubo está fijado al eje del rotor, que acciona el generador directamente o mediante una caja de cambios.
El número de palas se selecciona teniendo en cuenta la eficiencia aerodinámica, los costos de los componentes y la confiabilidad del sistema. Las emisiones de ruido se ven afectadas por la ubicación de las palas a barlovento o a favor del viento de la torre y la velocidad del rotor. Dado que las emisiones de ruido de los bordes de salida y las puntas de las palas varían en la quinta potencia de la velocidad de la pala, un pequeño aumento en la velocidad de la punta aumenta drásticamente el ruido.
Las turbinas eólicas utilizan casi universalmente dos o tres palas. Sin embargo, las patentes presentan diseños con palas adicionales, como el sistema de palas de rotor de unidades múltiples de Chan Shin. [30] La eficiencia aerodinámica aumenta con el número de palas pero con un rendimiento decreciente. Aumentar de uno a dos produce un aumento del seis por ciento, mientras que pasar de dos a tres produce un tres por ciento adicional. [31] Aumentar aún más el número de hojas produce mejoras mínimas y sacrifica demasiado la rigidez de las hojas a medida que las hojas se vuelven más delgadas. [ cita necesaria ]
Teóricamente, un número infinito de palas de ancho cero es lo más eficiente, operando a un valor alto de la relación de velocidad punta, pero esto no es práctico. [32]
Los costos de los componentes afectados por el número de palas son principalmente los materiales y la fabricación del rotor de la turbina y el tren de transmisión. [33] Generalmente, cuanto menor es el número de palas, menores son los costos de material y fabricación. Además, un menor número de palas permite una mayor velocidad de rotación. Los requisitos de rigidez de las palas para evitar la interferencia de la torre limitan el espesor de las palas, pero sólo cuando las palas están a barlovento de la torre; La deflexión en una máquina a favor del viento aumenta el espacio libre de la torre. Menos palas con velocidades de rotación más altas reducen el par máximo en el tren de transmisión, lo que resulta en menores costos de caja de cambios y generador.
La confiabilidad del sistema se ve afectada por el número de palas principalmente a través de la carga dinámica del rotor en el tren de transmisión y los sistemas de torre. Mientras se alinea la turbina eólica con los cambios en la dirección del viento (guiñada), cada pala experimenta una carga cíclica en su extremo de raíz dependiendo de la posición de la pala. Sin embargo, estas cargas cíclicas cuando se combinan en el eje del tren de transmisión se equilibran simétricamente para tres palas, lo que produce un funcionamiento más suave durante la guiñada. Las turbinas de una o dos palas pueden utilizar un cubo oscilante pivotante para casi eliminar las cargas cíclicas en el eje de transmisión y el sistema durante la guiñada. En 2012, se probó en Dinamarca una turbina china de dos palas de 3,6 MW. [34]
La estética es un factor que hace que el rotor de tres palas sea más agradable a la vista que uno de una o dos palas. [ cita necesaria ]
En general, los materiales deben cumplir los siguientes criterios:
Los metales son indeseables debido a su vulnerabilidad a la fatiga. Las cerámicas tienen baja tenacidad a la fractura, lo que resulta en fallas tempranas de la hoja. Los polímeros tradicionales no son lo suficientemente rígidos para ser útiles y la madera tiene problemas de repetibilidad, especialmente considerando la longitud de la hoja. Eso deja los compuestos reforzados con fibras, que tienen alta resistencia y rigidez y baja densidad. [ cita necesaria ]
En los primeros molinos de viento se utilizaban velas de madera y lona debido a su bajo precio, disponibilidad y facilidad de fabricación. Las hojas más pequeñas se pueden fabricar con metales ligeros como el aluminio . Estos materiales, sin embargo, requieren un mantenimiento frecuente. La construcción de madera y lona limita la forma del perfil aerodinámico a una placa plana, que tiene una relación relativamente alta de resistencia a la fuerza capturada (baja eficiencia aerodinámica) en comparación con los perfiles aerodinámicos sólidos. La construcción de diseños sólidos de perfiles aerodinámicos requiere materiales inflexibles como metales o compuestos . Algunas palas incorporan pararrayos.
El aumento de la longitud de las aspas impulsó la generación de energía desde el rango de un solo megavatio a más de 10 megavatios. Un área más grande aumenta efectivamente la relación punta-velocidad a una velocidad del viento determinada, aumentando así su extracción de energía. [36] Se puede utilizar software como HyperSizer (desarrollado originalmente para el diseño de naves espaciales) para mejorar el diseño de las palas. [37] [38]
En 2015, los diámetros de los rotores de las palas de las turbinas eólicas terrestres alcanzaron los 130 metros, [39] mientras que el diámetro de las turbinas marinas alcanzó los 170 metros. [40] En 2001, se estima que se utilizaron 50 millones de kilogramos de laminado de fibra de vidrio en las palas de las turbinas eólicas. [41]
Un objetivo importante es controlar el peso de la hoja. Dado que la masa de las palas aumenta como el cubo del radio de la turbina, la carga por gravedad limita los sistemas con palas más grandes. [42] Las cargas gravitacionales incluyen cargas axiales y de tracción/compresión (parte superior/inferior de la rotación), así como cargas de flexión (posiciones laterales). La magnitud de estas cargas fluctúa cíclicamente y los momentos de canto (ver más abajo) se invierten cada 180° de rotación. Las velocidades típicas del rotor y la vida útil de diseño son ~10 y 20 años, respectivamente, con un número de revoluciones de vida útil del orden de 10^8. Teniendo en cuenta el viento, se espera que las palas de las turbinas pasen por ~10^9 ciclos de carga.
El viento es otra fuente de carga en las palas del rotor. La elevación provoca una flexión en la dirección plana (fuera del plano del rotor), mientras que el flujo de aire alrededor de la pala provoca una flexión de borde (en el plano del rotor). La flexión de los flaps implica tensión en el lado de presión (a favor del viento) y compresión en el lado de succión (a favor del viento). La flexión de canto implica tensión en el borde de ataque y compresión en el borde de salida.
Las cargas de viento son cíclicas debido a la variabilidad natural en la velocidad y cizalladura del viento (velocidades más altas en la parte superior de la rotación).
La falla en la carga última de las palas del rotor de una turbina eólica expuestas al viento y a la carga de gravedad es un modo de falla que debe considerarse cuando se diseñan las palas del rotor. La velocidad del viento que provoca la flexión de las palas del rotor presenta una variabilidad natural, al igual que la respuesta a la tensión en las palas del rotor. Además, la resistencia de las palas del rotor, en términos de sus resistencias a la tracción, presenta una variabilidad natural. [43] Dado el tamaño cada vez mayor de las turbinas eólicas de producción, las fallas de las palas son cada vez más relevantes al evaluar los riesgos para la seguridad pública de las turbinas eólicas. El fallo más común es la pérdida de una pala o parte de ella. [44] Esto debe tenerse en cuenta en el diseño.
A la luz de estos modos de falla y de los sistemas de palas cada vez más grandes, los investigadores buscan materiales rentables con relaciones fuerza-masa más altas. [35]
La mayoría de las palas de turbinas eólicas comercializadas están hechas de polímeros reforzados con fibra (FRP), que son compuestos que consisten en una matriz polimérica y fibras. Las fibras largas proporcionan rigidez y resistencia longitudinal, y la matriz proporciona tenacidad a la fractura, resistencia a la delaminación, resistencia fuera del plano y rigidez. [35] Los índices de materiales basados en la maximización de la eficiencia energética, la alta tenacidad a la fractura, la resistencia a la fatiga y la estabilidad térmica son más altos para los plásticos reforzados con fibra de vidrio y carbono (GFRP y CFRP). [45]
En los álabes de las turbinas se utilizan matrices como termoestables o termoplásticos ; A partir de 2017, los termoestables son más comunes. [46] Estos permiten que las fibras se unan y agreguen dureza. Los termoestables representan el 80% del mercado [ ¿cuándo? ] , ya que tienen una viscosidad más baja y también permiten un curado a baja temperatura, características que contribuyen a la facilidad de procesamiento durante la fabricación. Los termoplásticos ofrecen una reciclabilidad que los termoestables no ofrecen; sin embargo, su temperatura de procesamiento y viscosidad son mucho más altas, lo que limita el tamaño y la consistencia del producto, que son importantes para las palas grandes. La tenacidad a la fractura es mayor para los termoplásticos, pero el comportamiento a la fatiga es peor. [47]
La fabricación de palas en el rango de 40 a 50 metros implica técnicas comprobadas de fabricación de compuestos de fibra de vidrio. Fabricantes como Nordex SE y GE Wind utilizan un proceso de infusión. Otros fabricantes varían esta técnica, algunos incluyen carbono y madera con fibra de vidrio en una matriz epoxi . Otras opciones incluyen fibra de vidrio preimpregnada ("preimpregnada") y moldeo por transferencia de resina asistido por vacío. Cada una de estas opciones utiliza un compuesto de polímero reforzado con fibra de vidrio construido con diferente complejidad. Quizás el mayor problema con los sistemas húmedos de molde abierto sean las emisiones asociadas con los compuestos orgánicos volátiles ("COV") liberados. Los materiales preimpregnados y las técnicas de infusión de resina contienen todos los COV; sin embargo, estos procesos contenidos tienen sus desafíos, porque la producción de laminados gruesos necesarios para los componentes estructurales se vuelve más difícil. En particular, la permeabilidad de la resina de la preforma dicta el espesor máximo del laminado; Además, es necesario sangrar para eliminar los huecos y garantizar una distribución adecuada de la resina. [41] Una solución a la distribución de resina es utilizar fibra de vidrio parcialmente impregnada. Durante la evacuación, el tejido seco proporciona un camino para el flujo de aire y, una vez que se aplican calor y presión, la resina puede fluir hacia la región seca, lo que da como resultado una estructura laminada uniformemente impregnada. [41]
Los compuestos a base de epoxi tienen ventajas ambientales, de producción y de costos sobre otros sistemas de resina. Los epoxi también permiten ciclos de curado más cortos, mayor durabilidad y mejor acabado superficial. Las operaciones de preimpregnado reducen aún más el tiempo de procesamiento en comparación con los sistemas de colocación húmeda. A medida que los álabes de las turbinas superaban los 60 metros, las técnicas de infusión se volvieron más frecuentes, porque los tiempos de inyección del moldeo por transferencia de resina tradicional son demasiado largos en comparación con el tiempo de preparación de la resina, lo que limita el espesor del laminado. La inyección fuerza a la resina a través de una pila de capas más gruesa, depositando así la resina en la estructura laminada antes de que se produzca la gelificación. Se han desarrollado resinas epoxi especializadas para personalizar la vida útil y la viscosidad. [49]
Los largueros de carga reforzados con fibra de carbono pueden reducir el peso y aumentar la rigidez. Se estima que el uso de fibras de carbono en álabes de turbinas de 60 metros reduce la masa total de los álabes en un 38% y disminuye el costo en un 14% en comparación con el 100% de fibra de vidrio. Las fibras de carbono tienen el beneficio adicional de reducir el espesor de las secciones laminadas de fibra de vidrio, abordando aún más los problemas asociados con la humectación de resina de secciones gruesas laminadas. Las turbinas eólicas se benefician de la tendencia a la baja de los costes de la fibra de carbono. [41]
Aunque las fibras de vidrio y carbono tienen muchas cualidades óptimas, sus desventajas incluyen el hecho de que una alta fracción de relleno (10-70% en peso) provoca una mayor densidad, así como defectos microscópicos y huecos que pueden provocar fallas prematuras. [35]
Los nanotubos de carbono (CNT) pueden reforzar los nanocompuestos a base de polímeros. Los CNT pueden cultivarse o depositarse sobre las fibras o agregarse a resinas poliméricas como matriz para estructuras de FRP. El uso de CNT a nanoescala como relleno en lugar del relleno tradicional a microescala (como fibras de vidrio o de carbono) da como resultado nanocompuestos de CNT/polímero, cuyas propiedades se pueden cambiar significativamente con bajos contenidos de relleno (normalmente <5% en peso). Tienen baja densidad y mejoran el módulo elástico, la resistencia y la tenacidad a la fractura de la matriz polimérica. La adición de CNT a la matriz también reduce la propagación de grietas interlaminares. [35]
La investigación sobre una fibra de carbono de bajo costo (LCCF) en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge llamó la atención en 2020, porque puede mitigar el daño estructural causado por los rayos. [50] En las turbinas eólicas de fibra de vidrio, la protección contra rayos (LSP) generalmente se agrega en la parte superior, pero esto es efectivamente un peso muerto en términos de contribución estructural. El uso de fibra de carbono conductora puede evitar agregar este peso extra.
Algunos compuestos poliméricos presentan propiedades de autocuración. [51] Dado que las palas de la turbina forman grietas por fatiga debido a tensiones cíclicas repetitivas, los polímeros autorreparables son atractivos para esta aplicación, porque pueden mejorar la confiabilidad y amortiguar diversos defectos como la delaminación. La incrustación de cables de cobre recubiertos de cera de parafina en un polímero reforzado con fibra crea una red de tubos. Usando un catalizador, estos tubos y diciclopentadieno (DCPD) reaccionan para formar un polímero termoestable, que repara las grietas a medida que se forman en el material. En 2019, este enfoque aún no es comercial.
Es posible realizar mejoras adicionales mediante el uso de nanofibras de carbono (CNF) en los revestimientos de las palas. Un problema importante en los ambientes desérticos es la erosión de los bordes de ataque de las palas por el viento cargado de arena, lo que aumenta la rugosidad y disminuye el rendimiento aerodinámico. La resistencia a la erosión de partículas de los polímeros reforzados con fibras es pobre en comparación con los materiales metálicos y elastómeros. Reemplazar la fibra de vidrio con CNF en la superficie compuesta mejora enormemente la resistencia a la erosión. Los CNF proporcionan buena conductividad eléctrica (importante en caso de rayos), alta relación de amortiguación y buena resistencia al impacto y la fricción. [52] [53]
En el caso de las turbinas eólicas, especialmente las que se encuentran en alta mar o en ambientes húmedos, también se produce erosión de la superficie de la base. Por ejemplo, en climas fríos, el hielo puede acumularse en las palas y aumentar la aspereza. A altas velocidades, este mismo impacto de erosión puede ocurrir por el agua de lluvia. Un recubrimiento útil debe tener buena adherencia, tolerancia a la temperatura, tolerancia a la intemperie (para resistir la erosión de la sal, la lluvia, la arena, etc.), resistencia mecánica, tolerancia a la luz ultravioleta y tener propiedades anticongelantes y retardantes de llama. Además, el revestimiento debe ser económico y respetuoso con el medio ambiente. [54]
Las superficies súper hidrofóbicas (SHS) hacen que las gotas de agua se formen gotas y se deslicen por las cuchillas. [55] El SHS previene la formación de hielo, hasta -25 C, ya que modifica el proceso de formación del hielo; [56] específicamente, se forman pequeñas islas de hielo en SHS, a diferencia de un gran frente de hielo. Además, debido al área superficial reducida de la superficie hidrófoba, las fuerzas aerodinámicas sobre la pala permiten que estas islas se deslicen fuera de la pala, manteniendo una aerodinámica adecuada. SHS se puede combinar con elementos calefactores para prevenir aún más la formación de hielo.
Los daños causados por rayos en el transcurso de una vida útil de 25 años [57] van desde quemaduras a nivel de la superficie y grietas del material laminado hasta rupturas en la hoja o separación total de los adhesivos que mantienen unida la hoja. [57] Es más común observar rayos en las puntas de las aspas, especialmente en clima lluvioso debido al cableado de cobre incrustado. [58] El método de contramedida más común, especialmente en materiales de palas no conductores como GFRP y CFRP, es agregar "pararrayos", que son cables metálicos que conectan a tierra la pala, omitiendo las palas y la caja de cambios por completo. [58]
Las palas de las turbinas eólicas suelen requerir reparación después de 2 a 5 años. Las causas notables de daños en las palas provienen de defectos de fabricación, transporte, ensamblaje, instalación, rayos, desgaste ambiental, ciclos térmicos , erosión del borde de ataque o fatiga . Debido al material y la función de las palas compuestas, las técnicas de reparación que se encuentran en aplicaciones aeroespaciales a menudo se aplican o proporcionan una base para reparaciones básicas. [59]
Dependiendo de la naturaleza del daño, el enfoque de reparación de la hoja puede variar. La reparación y protección contra la erosión incluye revestimientos, cintas o escudos. Las reparaciones estructurales requieren unir o fijar material nuevo al área dañada. [60] Las grietas y delaminaciones de la matriz no estructural requieren rellenos y sellados o inyecciones de resina. Si se ignoran, pequeñas grietas o delaminaciones pueden propagarse y crear daños estructurales.
Se han identificado cuatro zonas con sus respectivas necesidades de reparación:
Después de las últimas décadas de rápida expansión eólica en todo el mundo, las turbinas eólicas están envejeciendo. Este envejecimiento trae consigo costos de operación y mantenimiento (O&M), que aumentan a medida que las turbinas se acercan al final de su vida útil. Si los daños a las palas no se solucionan a tiempo, la producción de energía y la vida útil de las palas disminuyen. [61] Las estimaciones proyectan que entre el 20% y el 25% del costo total nivelado por kWh producido proviene únicamente de la operación y mantenimiento de las palas.
El Consejo Mundial de Energía Eólica (GWEC) predijo que la energía eólica suministrará el 28,5% de la energía mundial para 2030. [62] Esto requiere una flota más nueva y mayor de turbinas más eficientes y el correspondiente desmantelamiento de las más antiguas. Según un estudio de la Asociación Europea de Energía Eólica , en 2010 se consumieron entre 110 y 140 kilotones de compuestos para fabricar palas. [63] La mayor parte del material de las palas termina como desecho y requiere reciclaje. A partir de 2020, la mayoría de las palas al final de su uso se almacenan o envían a vertederos en lugar de reciclarse. [64] Normalmente, los polímeros reforzados con fibra de vidrio (GFRP) comprenden alrededor del 70% del material laminado de la hoja. Los PRFV no son combustibles y, por tanto, dificultan la incineración de materiales combustibles. [65] Por lo tanto, los métodos de reciclaje convencionales son inapropiados. Dependiendo de si se van a recuperar fibras individuales, el reciclaje de GFRP puede implicar:
La nueva empresa Global Fiberglass Solutions afirmó en 2020 que tenía un método para procesar palas en pellets y tableros de fibra para usar en pisos y paredes. La empresa comenzó a producir muestras en una planta en Sweetwater, Texas. [69]
Las velocidades del viento aumentan a mayores altitudes debido a la resistencia aerodinámica de la superficie (por superficies terrestres o acuáticas) y a la viscosidad del aire. La variación de la velocidad con la altitud, llamada cizalladura del viento , es más dramática cerca de la superficie. Normalmente, la variación sigue la ley de potencia del perfil del viento , que predice que la velocidad del viento aumenta proporcionalmente a la raíz séptima de la altitud. Entonces, duplicar la altitud de una turbina aumenta las velocidades del viento esperadas en un 10% y la potencia esperada en un 34%. Para evitar el pandeo , duplicar la altura de la torre generalmente requiere duplicar el diámetro de la torre, aumentando la cantidad de material en un factor de al menos cuatro.
Durante la noche, o cuando la atmósfera se estabiliza, la velocidad del viento cerca del suelo generalmente disminuye, mientras que a la altura del eje de la turbina no disminuye tanto o incluso puede aumentar. Como resultado, la velocidad del viento es mayor y una turbina producirá más energía de la esperada según la ley de potencia de 1/7: duplicar la altitud puede aumentar la velocidad del viento entre un 20% y un 60%. Una atmósfera estable es causada por el enfriamiento radiativo de la superficie y es común en un clima templado: generalmente ocurre cuando hay un cielo (parcialmente) despejado por la noche. Cuando el viento (a gran altitud) es fuerte (una velocidad del viento de 10 metros superior a aproximadamente 6 a 7 m/s), la atmósfera estable se altera debido a la turbulencia por fricción y la atmósfera se vuelve neutral. Una atmósfera diurna es neutra (sin radiación neta; generalmente con vientos fuertes y nubosidad intensa) o inestable (aire ascendente debido al calentamiento del suelo, provocado por el sol). La ley de la potencia de 1/7 es una buena aproximación del perfil del viento. Se calificó a Indiana con una capacidad eólica de 30.000 MW, pero al aumentar la altura esperada de la turbina de 50 ma 70 m se elevó la capacidad eólica a 40.000 MW, y podría duplicarse a 100 m. [70]
Para los HAWT, las alturas de la torre son aproximadamente dos o tres veces la longitud de la pala, lo que equilibra los costos de material de la torre con una mejor utilización de los componentes activos más costosos.
Las restricciones en la carretera dificultan el transporte de torres con un diámetro de más de 4,3 m. Los análisis suecos demostraron que la punta inferior del ala debe estar al menos a 30 m por encima de las copas de los árboles. [71] Una turbina de 3 MW puede aumentar la producción de 5.000 MWh a 7.700 MWh por año aumentando de 80 a 125 metros. [72] Un perfil de torre hecho de carcasas conectadas en lugar de cilindros puede tener un diámetro mayor y aún ser transportable. Det Norske Veritas certificó un prototipo de torre de 100 m con carcasas de 'planchas' de 18 mm atornilladas con TC en el centro de pruebas de turbinas eólicas de Høvsøre en Dinamarca , con una góndola Siemens . Los elementos del armazón se pueden enviar en contenedores de envío estándar de 12 m . [71] [73] [74]
En 2003, las instalaciones típicas de turbinas eólicas modernas utilizaban torres de 65 metros (213 pies). La altura suele estar limitada por la disponibilidad de grúas . Esto llevó a propuestas de "turbinas eólicas parcialmente automontables" que, para una determinada grúa disponible, permiten torres más altas que ubican una turbina en vientos más fuertes y constantes, y "turbinas eólicas automontables" que podrían instalarse sin grúas. [75] [76] [77] [78]
Actualmente, la mayoría de aerogeneradores están sostenidos por torres tubulares de acero de forma cónica. Estas torres representan entre el 30% y el 65% del peso de la turbina y, por tanto, representan un gran porcentaje de los costes de transporte. El uso de materiales de torre más livianos podría reducir el costo general de transporte y construcción, siempre que se mantenga la estabilidad. [79] El acero S500 de mayor calidad cuesta entre un 20% y un 25% más que el acero S335 ( acero estructural estándar ), pero requiere un 30% menos de material debido a su resistencia mejorada. Por tanto, la sustitución de las torres de los aerogeneradores por acero S500 ofrece un ahorro de peso y coste. [80]
Otra desventaja de las torres cónicas de acero es que cumplen con los requisitos de aerogeneradores de más de 90 metros de altura. El hormigón de alto rendimiento puede aumentar la altura de la torre y aumentar su vida útil. Un híbrido de hormigón pretensado y acero mejora el rendimiento con respecto al acero tubular estándar en alturas de torre de 120 metros. [81] El hormigón también permite montar pequeñas secciones prefabricadas en obra. [82] Una desventaja de las torres de hormigón es el mayor CO
2emisiones durante la producción de hormigón. Sin embargo, el impacto ambiental general debería ser positivo si las torres de hormigón pueden duplicar la vida útil de las turbinas eólicas. [83]
La madera es otra alternativa: en Alemania funciona una torre de 100 metros que sostiene una turbina de 1,5 MW. La torre de madera comparte los mismos beneficios de transporte que la torre de estructura de acero segmentada, pero sin el acero. [84] [85] Una turbina de 2 MW sobre una torre de madera comenzó a funcionar en Suecia en 2023. [86]
Otra posibilidad es formar la torre in situ mediante soldadura en espiral de chapa de acero laminada. De esta manera se pueden formar torres de cualquier altura y diámetro, eliminando las restricciones impuestas por las necesidades de transporte. Se puede construir una fábrica en un mes. El desarrollador afirma que se ahorra un 80% de mano de obra en comparación con los enfoques convencionales. [87]
Las turbinas eólicas conectadas a la red, hasta la década de 1970, eran de velocidad fija. Tan recientemente como 2003, casi todas las turbinas eólicas conectadas a la red operaban a velocidad constante (generadores síncronos) o dentro de un pequeño porcentaje de velocidad constante (generadores de inducción). [88] [89] A partir de 2011, muchas turbinas utilizaban generadores de inducción de velocidad fija (FSIG). [90] Para entonces, la mayoría de las turbinas recién conectadas eran de velocidad variable . [90]
Los primeros sistemas de control se diseñaron para la extracción de energía máxima, también llamado seguimiento del punto de máxima potencia : intentaban extraer la máxima potencia de una turbina eólica determinada bajo las condiciones de viento actuales. [ cita necesaria ] Los sistemas más recientes consumen deliberadamente menos potencia que la máxima en la mayoría de las circunstancias, para proporcionar otros beneficios, que incluyen:
El generador produce corriente alterna (CA). El método más común en las grandes turbinas modernas es utilizar un generador de inducción doblemente alimentado y conectado directamente a la red. Algunas turbinas accionan un convertidor CA/CA , que convierte la CA en corriente continua (CC) con un rectificador y luego nuevamente en CA con un inversor , para igualar la frecuencia y la fase de la red.
Una técnica útil para conectar un PMSG a la red es mediante un convertidor consecutivo. Los esquemas de control pueden lograr un factor de potencia unitario en la conexión a la red. De esta forma el aerogenerador no consume potencia reactiva, que es el problema más común en las turbinas que utilizan máquinas de inducción. Esto conduce a un sistema energético más estable. Además, con diferentes esquemas de control una turbina PMSG puede proporcionar o consumir energía reactiva. Por lo tanto, puede funcionar como un banco dinámico de condensadores / inductores para ayudar con la estabilidad de la red.
El diagrama muestra el esquema de control para un factor de potencia unitario:
La regulación de potencia reactiva consta de un controlador PI para lograr el funcionamiento con factor de potencia unitario (es decir, Q grid = 0). I dN debe regularse para llegar a cero en estado estacionario (I dNref = 0).
En la figura se muestra el sistema completo del convertidor del lado de la red y los bucles del controlador PI en cascada.
A medida que ha aumentado el uso de turbinas eólicas, también lo han hecho las empresas que ayudan en la planificación y construcción de turbinas eólicas. La mayoría de las veces, las piezas de la turbina se envían por mar o ferrocarril y luego por camión hasta el lugar de instalación. Debido al enorme tamaño de los componentes involucrados, las empresas generalmente necesitan obtener permisos de transporte y asegurarse de que la ruta de transporte elegida esté libre de posibles obstáculos, como pasos elevados, puentes y carreteras estrechas. Grupos conocidos como "equipos de reconocimiento" explorarán el camino con hasta un año de anticipación mientras identifican caminos problemáticos, talan árboles y reubican postes de servicios públicos. Las palas de las turbinas continúan aumentando de tamaño, lo que a veces requiere nuevos planes logísticos, ya que las rutas utilizadas anteriormente pueden no permitir una pala más grande. Los vehículos especializados conocidos como remolques Schnabel están diseñados a medida para cargar y transportar secciones de turbinas: las secciones de torre se pueden cargar sin grúa y la parte trasera del remolque es dirigible, lo que permite maniobrar más fácilmente. Los conductores deben estar especialmente capacitados. [96]
Las turbinas eólicas, por su naturaleza, son estructuras muy altas y delgadas [97] y esto puede causar una serie de problemas cuando se considera el diseño estructural de los cimientos . Los cimientos de una estructura de ingeniería convencional están diseñados principalmente para transferir la carga vertical (peso muerto) al suelo, permitiendo generalmente el uso de disposiciones comparativamente sencillas. Sin embargo, en el caso de las turbinas eólicas, la fuerza de la interacción del viento con el rotor en la parte superior de la torre crea una fuerte tendencia a volcar la turbina. Este régimen de carga provoca que se apliquen grandes momentos de carga a los cimientos de una turbina eólica. Como resultado, se debe prestar considerable atención al diseñar las zapatas para garantizar que los cimientos resistan esta tendencia a inclinarse. [98]
Una de las cimentaciones más comunes para las turbinas eólicas marinas es el monopilote , un único pilote tubular de acero de gran diámetro (de 4 a 6 metros) hincado en el lecho marino hasta una profundidad de 5 a 6 veces el diámetro del pilote. La cohesión del suelo y la fricción entre el pilote y el suelo proporcionan el soporte estructural necesario para la turbina eólica. [99]
En las turbinas terrestres, el tipo de cimentación más común es la de gravedad, en la que se utiliza una gran masa de hormigón repartida sobre una gran superficie para resistir las cargas de la turbina. El tamaño y tipo de turbina eólica, las condiciones del viento y las condiciones del suelo en el sitio son factores determinantes en el diseño de los cimientos. [100] Los pilotes pretensados o los anclajes de roca son diseños de cimientos alternativos que utilizan mucho menos hormigón y acero. [101]
Una turbina eólica es un sistema complejo e integrado. Los elementos estructurales representan la mayor parte del peso y el coste. Todas las partes de la estructura deben ser económicas, livianas, duraderas y fabricables, y sobrevivir a condiciones ambientales y de carga variables. Los sistemas de turbinas con menos fallas [104] requieren menos mantenimiento, son más livianos y duran más, lo que reduce los costos.
Las partes principales de una turbina se dividen en: torre 22%, palas 18%, caja de cambios 14%, generador 8%. [105] [106]
Las especificaciones de diseño de la turbina contienen una curva de potencia y garantía de disponibilidad . La evaluación del recurso eólico permite calcular la viabilidad comercial. [1] El rango de temperatura de funcionamiento típico es de −20 a 40 °C (de −4 a 104 °F). En áreas con clima extremo (como Mongolia Interior o Rajasthan ) se requieren versiones climáticas específicas.
Los aerogeneradores se pueden diseñar y validar según las normas IEC 61400 . [107]
RDS-PP (Sistema de designación de referencia para centrales eléctricas) es un sistema estandarizado utilizado en todo el mundo para crear una jerarquía estructurada de los componentes de las turbinas eólicas. Esto facilita el mantenimiento de la turbina y los costos de operación, y se utiliza durante todas las etapas de la creación de una turbina. [108]
{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )Se estima que casi el 30% de todas las turbinas eólicas del mundo están instaladas con sistemas de ultracondensadores.
{{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda ){{cite web}}: Mantenimiento CS1: copia archivada como título ( enlace )