El sistema de guiñada de los aerogeneradores es el componente responsable de la orientación del rotor del aerogenerador hacia el viento .
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Historia
La tarea de orientar el rotor hacia el viento ya era un tema complicado 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 montaron en la estructura principal del molino de viento utilizando primitivos cojinetes deslizantes de madera lubricados con grasa animal . El par de guiñada necesario se creó mediante la fuerza de los animales , la fuerza humana o incluso la energía eólica (implementación de un rotor auxiliar conocido como cola de abanico).
Las turbinas eólicas de eje vertical (VAWT) no necesitan un sistema de guiñada ya que sus rotores verticales pueden enfrentar el viento desde cualquier dirección y solo su auto-rotación les da a las palas una dirección clara del flujo de aire. [1] Las turbinas eólicas de eje horizontal (HAWT), sin embargo, necesitan orientar sus rotores hacia adentro y hacia afuera del viento y lo logran mediante sistemas de guiñada pasivos o activos.
Los HAWT emplean algún tipo de sistema de guiñada que puede ser pasivo o activo. Tanto los sistemas pasivos como los activos tienen ventajas y desventajas y se están probando diversas soluciones de diseño (tanto activas como pasivas) con el fin de encontrar el diseño óptimo para cada aerogenerador en función de su tamaño, coste y finalidad de funcionamiento.
Tipos
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Sistemas de guiñada activos
Los sistemas de guiñada activos 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 los sensores de dirección del viento o activación manual (anulación del sistema de control). Los sistemas de guiñada activos 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 activos modernos varían según las características de diseño, pero todos los sistemas de guiñada activos 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 para restringir 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 accionamiento.
Los tipos más comunes de sistemas de guiñada activos son:
- Cojinete de guiñada de rodillos - Accionamiento de guiñada eléctrico - Freno: la góndola está montada sobre un cojinete de rodillos y la rotación azimutal se logra mediante una pluralidad de potentes accionamientos eléctricos . Un freno hidráulico o eléctrico fija la posición de la góndola cuando se completa la reorientación para evitar el desgaste y las altas cargas de fatiga en los componentes del aerogenerador debido al juego . Los sistemas de este tipo son utilizados por la mayoría de los fabricantes de aerogeneradores y se consideran fiables y eficaces, pero también bastante voluminosos y caros.
- Cojinete de guiñada de rodillos - Accionamiento de guiñada hidráulico : la góndola está montada sobre un rodamiento de rodillos y la rotación azimutal se logra mediante una pluralidad de potentes motores hidráulicos o cilindros hidráulicos de trinquete . El beneficio del sistema de guiñada con accionamientos hidráulicos tiene que ver con los beneficios inherentes de los sistemas hidráulicos, como la alta relación potencia / peso y la alta fiabilidad . Sin embargo, en el lado negativo, los sistemas hidráulicos siempre se ven afectados por fugas de fluido hidráulico y obstrucción de sus válvulas hidráulicas de alta presión . Los sistemas de guiñada hidráulicos a menudo (dependiendo del diseño del sistema) también permiten la eliminación del mecanismo de freno de guiñada y su reemplazo por válvulas de corte .
- Cojinete deslizante de guiñada - Accionamiento eléctrico de guiñada : la góndola está montada sobre un cojinete deslizante basado en fricción y la rotación azimutal se logra mediante una pluralidad de potentes accionamientos eléctricos . Se elimina la necesidad de un freno de guiñada y, dependiendo del tamaño del sistema de guiñada (es decir, el tamaño de la turbina eólica), el concepto de cojinete deslizante puede generar importantes ahorros de costes.
- Cojinete de deslizamiento de guiñada - Accionamiento de guiñada hidráulico : la góndola está montada sobre un cojinete de deslizamiento basado en fricción y la rotación de azimut se logra mediante una pluralidad de potentes motores hidráulicos o cilindros hidráulicos de trinquete . Este sistema combina las características de los sistemas de motor hidráulico y cojinetes deslizantes antes mencionados .
Sistemas pasivos de guiñada
Los sistemas de guiñada pasivos utilizan la fuerza del viento para ajustar la orientación del rotor de la turbina eólica hacia el viento. En su forma más simple, estos sistemas comprenden una conexión de cojinete de rodillos simple entre la torre y la góndola y una aleta de cola montada en la góndola y diseñada de tal manera que convierte el rotor de la turbina eólica en el viento ejerciendo un par "correctivo" para la góndola. Por lo tanto, la potencia 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 puede guiñar la góndola hacia el viento. En el caso de vientos oblicuos, la "presión del viento" en el área barrida provoca un momento de guiñada alrededor del eje de la torre (eje z) que orienta el rotor. [1]
La aleta de cola (o veleta) se usa comúnmente para turbinas eólicas pequeñas, ya que ofrece una solución confiable y de bajo costo. Sin embargo, es incapaz de hacer frente a los altos momentos necesarios para guiñar la góndola de una gran turbina eólica. [ cita requerida ] Sin embargo, la autoorientación de los rotores de turbinas a favor del viento es un concepto capaz de funcionar incluso para turbinas eólicas más grandes. El fabricante francés de turbinas eólicas Vergnet tiene en producción varios aerogeneradores autoorientables a favor del viento medianos y grandes.
Sistemas de guiñada pasivos tienen que ser diseñado de manera que la góndola no sigue los cambios repentinos en la dirección del viento con demasiado rápido un movimiento de guiñada, con el fin de evitar una alta giroscópico loads.Additionally los sistemas de guiñada pasiva con baja yaw- fricción se someten a Fuertes cargas dinámicas debido a la oscilación periódica de baja amplitud causada por la variación del momento de inercia durante la rotación del rotor. Este efecto se agrava con la reducción del número de palas.
Los sistemas de guiñada pasivos más comunes son:
- Rodamiento de rodillos (sistema libre): La góndola está montada sobre un rodamiento de rodillos y puede girar libremente en cualquier dirección. El momento necesario proviene de una aleta de cola o del rotor (aerogeneradores a favor del viento)
- Rodamiento de rodillos - Freno (sistema semiactivo): La góndola está montada sobre un rodamiento de rodillos y puede girar libremente en cualquier dirección, pero cuando se logra la orientación necesaria, un freno de guiñada activo detiene la góndola . Esto evita la vibración incontrolada y reduce las cargas giroscópicas y de fatiga .
- Cojinete deslizante / freno (sistema pasivo): la góndola está montada sobre un cojinete deslizante y puede girar libremente en cualquier dirección. La fricción inherente del cojinete deslizante logra una forma de funcionamiento casi activa.
Componentes
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Cojinete de guiñada
Uno de los componentes principales del sistema de guiñada es el cojinete de guiñada . Puede ser de tipo rodillo o deslizante y sirve como conexión giratoria entre la torre y la góndola del aerogenerador. El cojinete de guiñada debe poder soportar cargas muy elevadas, que además del peso de la góndola y el 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.
Unidades de guiñada
Los accionamientos de guiñada existen solo en los sistemas de guiñada activos y son el medio de rotación activa de la góndola de la turbina eólica . Cada accionamiento de guiñada consta de un potente motor eléctrico (normalmente 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, el giro de las grandes turbinas modernas es relativamente lento, con un giro de 360 ° que dura varios minutos.
Freno de guiñada
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Para estabilizar el cojinete de guiñada contra la rotación, es necesario un medio de frenado. Una de las maneras más simples de realizar esta tarea es aplicar una constante pequeña contra-par de torsión en los accionamientos de guiñada a fin de eliminar la holgura entre el engranaje de la llanta y de tracción de guiñada piñones y para evitar que la góndola de oscilación debido a la rotación del rotor. Sin embargo, esta operación reduce en gran medida la fiabilidad de los accionamientos eléctricos de guiñada , por lo que la solución más común es la implementación de un freno de disco accionado hidráulicamente .
El freno de disco requiere una circular plana del disco de freno y la pluralidad de freno calibradores con hidráulicos pistones y pastillas de freno [1] . Los frenos de guiñada hidráulicos son capaces de fijar la góndola en su posición, aliviando así las transmisiones de guiñada de esa tarea. Sin embargo, el costo del freno de guiñada en combinación con el requisito de una instalación hidráulica ( bomba , válvulas , pistones ) y su instalación cerca de pastillas de freno sensibles a la contaminación del lubricante es a menudo un problema.
Un compromiso que ofrece varias ventajas es el uso de frenos de guiñada eléctricos. Estos reemplazan el mecanismo hidráulico de los frenos convencionales y con pinzas de freno accionadas electromecánicamente. El uso de frenos de guiñada eléctricos elimina la complejidad de las fugas hidráulicas y los problemas subsiguientes que causan al funcionamiento del freno de guiñada. [3]
Varias empresas de diseño y fabricación de turbinas eólicas experimentan con métodos alternativos de rotura de guiñada para eliminar los inconvenientes de los sistemas existentes y reducir el coste del sistema. Una de estas alternativas implica el uso de presión de aire para lograr el momento de frenado de guiñada necesario. En este caso, parte de la superficie de deslizamiento (generalmente la axial, debido a la mayor superficie disponible) se utiliza 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 puede ejercer fuerzas de frenado muy elevadas debido a la gran superficie activa. Esto se logra con un simple sistema industrial de compresión de presión de aire (6-10 bar o 600-1.000 kPa o 87-145 psi) que es una solución confiable y de bajo costo. Además, en caso de fuga, el impacto medioambiental es prácticamente nulo en comparación con las fugas de aceite hidráulico. Finalmente, los actuadores de freno se pueden producir a muy bajo costo a partir de materiales plásticos livianos, lo que reduce significativamente el costo total del sistema.
Paleta de guiñada (sistemas pasivos)
La paleta de guiñada (o aleta de cola) es un componente del sistema de guiñada que se utiliza solo en turbinas eólicas pequeñas con mecanismos de guiñada pasivos. No es más que una superficie plana montada en 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 de torsión considerable que puede hacer girar la góndola a pesar de los efectos giroscópicos estabilizadores del rotor. Sin embargo, el área de superficie requerida para que una aleta de cola pueda guiñar una gran turbina eólica es enorme, lo que hace que el uso de tal dispositivo no sea económico.
Ver también
- Molino
- Energía eólica
- Diseño de aerogeneradores
- Cojinete de guiñada
- Unidad de guiñada
Referencias
- ^ a b c Plantas de energía eólica, R. Gasch y J. Twele, Solarpraxis, ISBN 3-934595-23-5
- ^ Soluciones de control y potencia Bonfiglioli
- ^ Hanning & Kahl GmbH Azimutbremsen
Otras lecturas
- Plantas de energía eólica, R. Gasch y J. Twele, Solarpraxis, ISBN 3-934595-23-5
- Manual de energía eólica, T. Burton [et al.], John Wiley & Sons, Ltd, ISBN 0-471-48997-2
- Cómo construir una turbina eólica: los planos del molino de viento de flujo axial, H. Piggott Scoraigwind