El sistema de guiñada de los aerogeneradores es el componente responsable de la orientación del rotor del aerogenerador hacia el viento .
La tarea de orientar el rotor hacia el viento era una cuestión complicada ya para los molinos de viento históricos . Los primeros molinos de viento capaces de girar para "enfrentarse" al viento aparecieron a mediados del siglo XVIII. [1] Sus góndolas giratorias se montaban sobre la estructura principal del molino de viento mediante cojinetes deslizantes de madera primitivos lubricados con grasa animal . El par de giro necesario se creaba mediante fuerza animal , fuerza humana o incluso fuerza eólica (implementación de un rotor auxiliar conocido como cola de abanico).
Las turbinas eólicas de eje vertical (VAWT) no necesitan un sistema de orientación, ya que sus rotores verticales pueden enfrentar el viento desde cualquier dirección y solo su autorotación proporciona a las palas una dirección clara del flujo de aire. [1] Las turbinas eólicas de eje horizontal (HAWT), sin embargo, necesitan orientar sus rotores dentro y fuera del viento y lo logran por medio de sistemas de orientación pasivos o activos.
Los aerogeneradores de alta potencia emplean algún tipo de sistema de orientación que puede ser pasivo o activo. Tanto los sistemas pasivos como los activos tienen ventajas y desventajas y se están probando varias soluciones de diseño (tanto activas como pasivas) para encontrar el diseño óptimo para cada turbina eólica en función de su tamaño, coste y finalidad de funcionamiento.
Los sistemas de guiñada activa están equipados con algún tipo de dispositivo de producción de par capaz de girar la góndola de la turbina eólica contra la torre estacionaria basándose en señales automáticas de sensores de dirección del viento o actuación manual (anulación del sistema de control). Los sistemas de guiñada activa se consideran el estado del arte para todas las turbinas eólicas modernas de tamaño mediano y grande, con algunas excepciones que confirman la regla (por ejemplo, Vergnet ). Los diversos componentes de los sistemas de guiñada activa modernos varían dependiendo de las características de diseño, pero todos los sistemas de guiñada activa incluyen un medio de conexión giratoria entre la góndola y la torre ( cojinete de guiñada ), un medio de variación activa de la orientación del rotor (es decir, accionamiento de guiñada ), un medio de restricción de la rotación de la góndola (freno de guiñada) y un sistema de control que procesa las señales de los sensores de dirección del viento (por ejemplo, veletas ) y da los comandos adecuados a los mecanismos de actuación.
Los tipos más comunes de sistemas de guiñada activa son:
Los sistemas pasivos de orientación utilizan la fuerza del viento para ajustar la orientación del rotor de la turbina eólica en el sentido del viento. En su forma más simple, estos sistemas comprenden una conexión de cojinetes de rodillos simple entre la torre y la góndola y una aleta de cola montada en la góndola y diseñada de tal manera que gira el rotor de la turbina eólica en el sentido del viento ejerciendo un par "correctivo" sobre la góndola. Por lo tanto, la fuerza del viento es responsable de la rotación del rotor y la orientación de la góndola. Alternativamente, en el caso de turbinas a favor del viento, la aleta de cola no es necesaria ya que el propio rotor es capaz de orientar la góndola en el sentido del viento. En el caso de vientos oblicuos, la "presión del viento" en el área barrida provoca un momento de orientación alrededor del eje de la torre (eje z) que orienta el rotor. [1]
La aleta de cola (o veleta) se utiliza habitualmente en turbinas eólicas pequeñas, ya que ofrece una solución económica y fiable. Sin embargo, no puede hacer frente a los elevados momentos necesarios para hacer girar la góndola de una turbina eólica grande. [ cita requerida ] Sin embargo, la autoorientación de los rotores de la turbina a favor del viento es un concepto que puede funcionar incluso en turbinas eólicas de mayor tamaño. El fabricante francés de turbinas eólicas Vergnet tiene en producción varias turbinas eólicas a favor del viento autoorientables de tamaño mediano y grande.
Los sistemas de guiñada pasivos deben diseñarse de forma que la góndola no siga los cambios repentinos de la dirección del viento con un movimiento de guiñada demasiado rápido, con el fin de evitar cargas giroscópicas elevadas . Además, los sistemas de guiñada pasivos con baja fricción de guiñada están sujetos a fuertes cargas dinámicas debido a la baja amplitud periódica de guiñada causada por la variación del momento de inercia durante la rotación del rotor. Este efecto se vuelve más severo con la reducción del número de palas.
Los sistemas de guiñada pasiva más comunes son:
Uno de los componentes principales del sistema de orientación es el cojinete de orientación . Puede ser de tipo deslizante o de rodillos y sirve como conexión giratoria entre la torre y la góndola del aerogenerador. El cojinete de orientación debe ser capaz de soportar cargas muy elevadas, que además del peso de la góndola y del rotor (cuyo peso está en el rango de varias décimas de toneladas ) incluyen también los momentos de flexión provocados por el rotor durante la extracción de la energía cinética del viento.
Los accionamientos de guiñada existen únicamente en los sistemas de guiñada activos y son los medios de rotación activa de la góndola de la turbina eólica . Cada accionamiento de guiñada consta de un potente motor eléctrico (normalmente de CA ) con su accionamiento eléctrico y una gran caja de cambios , que aumenta el par . El par estático máximo de los accionamientos de guiñada más grandes está en el rango de 200.000 Nm con relaciones de reducción de la caja de cambios en el rango de 2000:1. [2] En consecuencia, la guiñada de las grandes turbinas modernas es relativamente lenta, con un giro de 360° que dura varios minutos.
Para estabilizar el cojinete de orientación contra la rotación, es necesario un medio de frenado. Una de las formas más sencillas de realizar esta tarea es aplicar un pequeño par de torsión constante en los accionamientos de orientación para eliminar el juego entre la corona dentada y los piñones del accionamiento de orientación y evitar que la góndola oscile debido a la rotación del rotor. Sin embargo, esta operación reduce en gran medida la fiabilidad de los accionamientos de orientación eléctricos, por lo que la solución más común es la implementación de un freno de disco accionado hidráulicamente .
El freno de disco requiere un disco de freno circular plano y una pluralidad de pinzas de freno con pistones hidráulicos y pastillas de freno [1]. Los frenos de guiñada hidráulicos pueden fijar la góndola en su posición, aliviando así a los accionamientos de guiñada de esa tarea. Sin embargo, el coste del freno de guiñada en combinación con el requisito de una instalación hidráulica ( bomba , válvulas , pistones ) y su instalación en la proximidad de pastillas de freno sensibles a la contaminación del lubricante es a menudo un problema.
Una solución intermedia que ofrece varias ventajas es el uso de frenos de guiñada eléctricos. Estos sustituyen el mecanismo hidráulico de los frenos convencionales por pinzas de freno accionadas electromecánicamente. El uso de frenos de guiñada eléctricos elimina la complejidad de las fugas hidráulicas y los problemas posteriores que estas causan al funcionamiento del freno de guiñada. [3]
Varias empresas de diseño y fabricación de turbinas eólicas experimentan con métodos alternativos de frenado de guiñada para eliminar los inconvenientes de los sistemas existentes y reducir el coste del sistema. Una de estas alternativas implica el uso de aire a presión para lograr el momento de frenado de guiñada necesario. En este caso, se utiliza parte de la superficie de deslizamiento (normalmente la axial, debido a la mayor superficie disponible) para acomodar las pastillas de freno de guiñada y el mecanismo de freno neumático. El actuador neumático puede ser un cilindro neumático convencional o incluso una cámara de aire flexible que se infla cuando se le suministra aire a presión. Un dispositivo de este tipo es capaz de ejercer fuerzas de frenado muy altas debido a la gran superficie activa. Esto se consigue con un sencillo sistema industrial de compresión de aire a presión (6–10 bar o 600–1.000 kPa o 87–145 psi) que es una solución fiable y de bajo coste. Además, en caso de fuga, el impacto medioambiental es prácticamente nulo en comparación con las fugas de aceite hidráulico. Por último, los actuadores de freno se pueden producir a un coste muy bajo a partir de materiales plásticos ligeros, lo que reduce significativamente el coste total del sistema.
La aleta de orientación (o aleta de cola) es un componente del sistema de orientación que se utiliza únicamente en aerogeneradores pequeños con mecanismos de orientación pasivos. No es más que una superficie plana montada sobre la góndola mediante una viga larga . La combinación de la gran superficie de la aleta y la mayor longitud de la viga crea un par considerable que es capaz de girar la góndola a pesar de los efectos giroscópicos estabilizadores del rotor. Sin embargo, la superficie necesaria para que una aleta de cola pueda orientar un aerogenerador grande es enorme, por lo que el uso de un dispositivo de este tipo resulta poco rentable.