Complementos para la utilización de energía eólica.
El generador electrico y el multiplicador.El aeromotor puede accionar directamente o indirectamente (a través de un multiplicador), dos tipos de generador eléctrico:
Generador de corriente continua (dínamo).
Generador de corriente alterna (alternador).
Estos transformarán la energía mecánica en energía eléctrica, teniendo en cuenta las pérdidas ocurridas dentro el generador.La fórmula de la transformación de energía es:Cu*2Ò*nCu: par del aeromotor (N*m)n : velocidad de rotación (rpm)i : Corriente proporcionada por el aerogenerador a una tensión U
Generador de corriente continua. (Dínamo).La máquina está formada por dos partes bien diferenciadas:El cicuito magnético (bobina de inducción) que crea un campo de inducción en el entrehierro y recibe el nombre de inductor.El bobinado de inducido en el que se recupera la energía eléctrica producida por la rotación del rotor accionado por el aeromotor.Para recuperar esta energía, el inducido va provisto de un colector, que en la mayoría de los casos va provisto por dos sectores aislados de 180?.Dos escobillas, situadas una frente a otra, se ponen en contacto sucesivamente con el sector A después con el sector B, lo que permite que la corriente circule siempre en el mismo sentido en la utilización. En realidad, el colector consta de un gran número de sectores, que corresponden a otros tantos conductores, pero su papel es el mismo: hacer circular una corriente de igual sentido por todos los conductores de un mismo polo.Si se considera que ese flujo producido por la bobina de excitación es constante (máquina compensada), la corriente proporcionada es proporcional a la velocidad de rotación. La relación entre la tensión en bornes de la máquina y la corriente es:
u = E - R * i
E: fuerza electromotriz de la dínamo.
R: resistencia de inducido.
i: Corriente suministrada a la carga.
Generador sincrono de corriente alterna.La máquina consta de las siguientes partes. La bobina de excitación que crea el campo magnético en el cual el entrehierro es móvil, es el rotor accionado por el aeromotor. Puede ser de dos tipos:Rotor bobinado alimentado por dos colectores continuos en los que la corriente circula siempre en el mismo sentido. Rotor de imanes permanentes, con lo que se suprimen escobillas y colectores, que pueden ser causas de averías. El inducido, en el que se recupera la energía, solidario a la carcasa, y conectado a la utilización. Este al estator , y puede ser monofásico o trifásico. El trifásico permite obtener una tensión alterna casi sinuosidad (curva representativa de los valores del seno) y, por tanto, mejor rendimiento.
Ventajas e inconvenientes.El principal inconveniente de la dínamo es la presencia de escobillas y colectores, que requieren un mantenimiento periódico. Por otra parte, la dínamo es más pesada y cara que un generador de corriente alterna. Pero no necesita ningún dispositivo complicado para la carga de baterías. Un simple diodo, (válvula de vació termoiónica formada por dos electrodos; conectada a un circuito permite el paso de la corriente en un solo sentido), que soporte la intensidad nominal de la dínamo, será suficiente para evitar que la batería pueda ser cortocircuitada por el inducido, cuando esté parado.El alternador, principalmente del tipo de rotor de imanes permanentes, presenta muchas ventajas. Su mantenimiento es nulo debido a la total ausencia de piezas en rozamiento. Para una misma potencia es más ligero y económico. Pero debe girar a una velocidad más elevada y más estable que la dínamo (en general 3000 rpm) y además requiere un rectificador para la carga de baterías. A pesar de los inconvenientes propios de alternador, su utilización está generalizada, excepto para aeromotores de pequeña potencia, en los que la estabilidad de la velocidad de rotación no es suficiente. En general , se utilizan alternadores trifásicos de imanes permanentes.
El multiplicador.
Se comprobó que el empleo de alternadores obliga a utilizar un multiplicador.Efectivamente, los rotores de diámetro superior a los 5 metros, tienen velocidades de rotación demasiado bajas (<200rpm) para poder accionar directamente un alternador clásico. Por tanto, para estas máquinas, es imprescindible intercalar un multiplicador entre el aeromotor y el generador. Hay tres tipos de multiplicador que pueden utilizarse con los aeromotores: El más sencillo es el multiplicador de engranajes, de uno o varios ejes de ruedas dentadas cilíndricas. Es económico, pero de construcción embarazosa para conseguir relaciones de multiplicación elevadas.
El empleo de trenes planetarios permite obtener multiplicaciones elevadas en un espacio reducido. La repartición de pares y esfuerzos entre varios satélites, así como la disposición coaxial, (perteneciente al eje o concerniente a él), de los ejes de entrada y salida facilitan una construcción compacta y relativamente ligera. Los satélites, arrastrados por un tren, engranan por una parte con el piñón colocado en el eje de salida, y por otra con una corona exterior fija. El eje de entrada es solidario con el tren que mueve satélites.
El reductor de acoplamiento cónico, permite disponer el eje de salida perpendicular al de entrada. En todos los casos, las dientes helicoidales aseguran un mejor rendimiento y también un funcionamiento más silencioso.Nota: Se han realizado algunos sistemas para aumentar la velocidad de rotación del generador, sin multiplicador, como pueden ser:
Hélices de contrarrotación.Empleo de la elevada velocidad periférica del rotor (rotor con llanta),Pero estos sistemas nunca han pasado del estado de prototipo.
Tipos de multiplicadores.Recuperacion De La Energia En El Soporte Fijo.Máquinas sin multiplicadorEl generador eléctrico está siempre colocado en la parte móvil de la máquina. La energía eléctrica se transmite al soporte fijo mediante un conjunto de colectores y escobillas, generalmente sobredimensionados para evitar pérdidas inútiles por resistencia en los contactos demasiado elevada.
Máquinas con multiplicador.En este caso, puede estudiarse la solución del multiplicador colocado en la base, sobre todo para la recuperación de la energía mecánica. El multiplicador tiene entonces dos ejes perpendiculares, el eje horizontal y el vertical. Pero los problemas de estancamiento en el eje vertical son graves. En el caso de recuperación de energía eléctrica, interesa siempre utilizar el sistema de colectores escobillas.
Proteccion Contra Los Rayos.Los aerogeneradores se colocan generalmente en puntos elevados, y además deben ser más altos que los obstáculos de sus alrededores. Por tanto, frecuentemente constituyen los puntos de descarga de electricidad estática durante las tormentas.
Aunque, por propia constitución el generador está protegido contra las descargas eléctricas, por estar encerrado en una estructura metálica conectada a tierra (caja de Faraday), la instalación a la que está conectada puede ser destruida por las sobre tensiones que se propagan por el cable eléctrico de alimentación colocado entre el aerogenerador y la utilización. El generador eléctrico puede resultar dañado por contracorriente, en caso de que la utilización quede en cortocircuito.
Por tanto, para emplazamientos expuestos a posibles descargas atmosféricas, es indispensable: Conectar la torre soporte a una buena toma de tierra (inferior o a igual a 3 Û). Colocar disyuntores de gas en el punto de conexión de la utilización, con los cables eléctricos del aerogenerador. La tensión de cebado de los disyuntores debe ser aproximadamente el doble de la tensión máxima del generador eléctrico:
-dínamo: tensión en vacío X 2;
-alternador: tensión eficaz en vacío X 2.
Estos disyuntores deben estar conectados a la toma de tierra por una línea lo más directa posible.Soporte para aerogeneradores.Los aeromotores de pequeña y mediana potencia, pueden estar colocados en dos tipos de soporte: Soportes autoportantes:
Estructura metálica.
Tubulares.
De hormigón.
Soportes atirantados
Estructura metálica.
Tubulares.
Los soportes atirantados abatibles.El empuje en la parte superior del soporte es debido principalmente al arrastre del rotor, sobre todo si el sistema de regulación empleado es de arrastre máximo, cuyo valor es:T: Empuje en la parte superior del soporte (newton)
m: Masa volumétrica o densidad del aire (1,25 kg/m3)
S: Superficie barrida por el rotor (m?)
V: Velocidad del viento (m/s)
Cx: Coeficiente de empuje.
Remplazando:
S = 0,7375 m?
V = 7 m/s
Cx = 0,025
Resultado:
T = 0,56 nt
Siempre que el terreno lo permita, es aconsejable utilizar un soporte atirantado basculante, que facilite el mantenimiento del aeromotor y del mismo soporte, en el suelo y por tanto con una mayor comodidad y sin peligro.Empleando elementos tubulares, muy utilizados en los circuitos de distribución, y las bridas de unión normalizadas, la construcción de un soporte de hasta 15 m es simple y menos costoso que el soporte autoportante.Debe realizarse un atirantamiento con cuatro vientos, inclinados 45?, un cable de acero galvanizado, y de forma que el punto de anclaje sobre el soporte sea lo suficientemente bajo para no impedir el giro del rotor. La unión de los cables al suelo, debe hacerse a través de tensores que permitan regular la tensión de cada cable.
Cualquiera que sea el tipo de soporte utilizado, hay que tener en cuenta:
la protección contra la corrosión;
la facilidad de montaje y desmontaje de la máquina;
los riesgos de la formación de hielo.
Ý aspa Altura torre Altura ancla Mast. maniob. Secc. cable
2 m 15 m 14,2 m 3,6 m 11 m
5 m 15 m 13 m 4,5 m 20 m
Dimensionado de soportes atirantados y basculantesNivelación de los puntos de anclaje al suelo,Nos referimos aquí a los cables que se emplean para las maniobras de elevación y abatimiento de la torre soporte. Se emplean dos cables laterales para guiar la trayectoria de bajada y otros dos para subir o bajar el soporte.Los tensores permiten variar ligeramente la longitud de los cables, pero es insuficiente, y por tanto es indispensable colocar los cables laterales en el mismo plano horizontal que el pie del soporte, y alinearlos con el eje de basculamiento de dicho pie.
La posición del anclaje de los otros dos cables es menos importante. en terreno inclinado, debe colocarse el anclaje correspondiente al dispositivo de elevación (torno de tambor o cabría de fricción) en el punto menos elevado de los dos, ya que así se disminuirá el esfuerzo inicial.
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El generador electrico y el multiplicador.El aeromotor puede accionar directamente o indirectamente (a través de un multiplicador), dos tipos de generador eléctrico:
Generador de corriente continua (dínamo).
Generador de corriente alterna (alternador).
Estos transformarán la energía mecánica en energía eléctrica, teniendo en cuenta las pérdidas ocurridas dentro el generador.La fórmula de la transformación de energía es:Cu*2Ò*nCu: par del aeromotor (N*m)n : velocidad de rotación (rpm)i : Corriente proporcionada por el aerogenerador a una tensión U
Generador de corriente continua. (Dínamo).La máquina está formada por dos partes bien diferenciadas:El cicuito magnético (bobina de inducción) que crea un campo de inducción en el entrehierro y recibe el nombre de inductor.El bobinado de inducido en el que se recupera la energía eléctrica producida por la rotación del rotor accionado por el aeromotor.Para recuperar esta energía, el inducido va provisto de un colector, que en la mayoría de los casos va provisto por dos sectores aislados de 180?.Dos escobillas, situadas una frente a otra, se ponen en contacto sucesivamente con el sector A después con el sector B, lo que permite que la corriente circule siempre en el mismo sentido en la utilización. En realidad, el colector consta de un gran número de sectores, que corresponden a otros tantos conductores, pero su papel es el mismo: hacer circular una corriente de igual sentido por todos los conductores de un mismo polo.Si se considera que ese flujo producido por la bobina de excitación es constante (máquina compensada), la corriente proporcionada es proporcional a la velocidad de rotación. La relación entre la tensión en bornes de la máquina y la corriente es:
u = E - R * i
E: fuerza electromotriz de la dínamo.
R: resistencia de inducido.
i: Corriente suministrada a la carga.
Generador sincrono de corriente alterna.La máquina consta de las siguientes partes. La bobina de excitación que crea el campo magnético en el cual el entrehierro es móvil, es el rotor accionado por el aeromotor. Puede ser de dos tipos:Rotor bobinado alimentado por dos colectores continuos en los que la corriente circula siempre en el mismo sentido. Rotor de imanes permanentes, con lo que se suprimen escobillas y colectores, que pueden ser causas de averías. El inducido, en el que se recupera la energía, solidario a la carcasa, y conectado a la utilización. Este al estator , y puede ser monofásico o trifásico. El trifásico permite obtener una tensión alterna casi sinuosidad (curva representativa de los valores del seno) y, por tanto, mejor rendimiento.
Ventajas e inconvenientes.El principal inconveniente de la dínamo es la presencia de escobillas y colectores, que requieren un mantenimiento periódico. Por otra parte, la dínamo es más pesada y cara que un generador de corriente alterna. Pero no necesita ningún dispositivo complicado para la carga de baterías. Un simple diodo, (válvula de vació termoiónica formada por dos electrodos; conectada a un circuito permite el paso de la corriente en un solo sentido), que soporte la intensidad nominal de la dínamo, será suficiente para evitar que la batería pueda ser cortocircuitada por el inducido, cuando esté parado.El alternador, principalmente del tipo de rotor de imanes permanentes, presenta muchas ventajas. Su mantenimiento es nulo debido a la total ausencia de piezas en rozamiento. Para una misma potencia es más ligero y económico. Pero debe girar a una velocidad más elevada y más estable que la dínamo (en general 3000 rpm) y además requiere un rectificador para la carga de baterías. A pesar de los inconvenientes propios de alternador, su utilización está generalizada, excepto para aeromotores de pequeña potencia, en los que la estabilidad de la velocidad de rotación no es suficiente. En general , se utilizan alternadores trifásicos de imanes permanentes.
El multiplicador.
Se comprobó que el empleo de alternadores obliga a utilizar un multiplicador.Efectivamente, los rotores de diámetro superior a los 5 metros, tienen velocidades de rotación demasiado bajas (<200rpm) para poder accionar directamente un alternador clásico. Por tanto, para estas máquinas, es imprescindible intercalar un multiplicador entre el aeromotor y el generador. Hay tres tipos de multiplicador que pueden utilizarse con los aeromotores: El más sencillo es el multiplicador de engranajes, de uno o varios ejes de ruedas dentadas cilíndricas. Es económico, pero de construcción embarazosa para conseguir relaciones de multiplicación elevadas.
El empleo de trenes planetarios permite obtener multiplicaciones elevadas en un espacio reducido. La repartición de pares y esfuerzos entre varios satélites, así como la disposición coaxial, (perteneciente al eje o concerniente a él), de los ejes de entrada y salida facilitan una construcción compacta y relativamente ligera. Los satélites, arrastrados por un tren, engranan por una parte con el piñón colocado en el eje de salida, y por otra con una corona exterior fija. El eje de entrada es solidario con el tren que mueve satélites.
El reductor de acoplamiento cónico, permite disponer el eje de salida perpendicular al de entrada. En todos los casos, las dientes helicoidales aseguran un mejor rendimiento y también un funcionamiento más silencioso.Nota: Se han realizado algunos sistemas para aumentar la velocidad de rotación del generador, sin multiplicador, como pueden ser:
Hélices de contrarrotación.Empleo de la elevada velocidad periférica del rotor (rotor con llanta),Pero estos sistemas nunca han pasado del estado de prototipo.
Tipos de multiplicadores.Recuperacion De La Energia En El Soporte Fijo.Máquinas sin multiplicadorEl generador eléctrico está siempre colocado en la parte móvil de la máquina. La energía eléctrica se transmite al soporte fijo mediante un conjunto de colectores y escobillas, generalmente sobredimensionados para evitar pérdidas inútiles por resistencia en los contactos demasiado elevada.
Máquinas con multiplicador.En este caso, puede estudiarse la solución del multiplicador colocado en la base, sobre todo para la recuperación de la energía mecánica. El multiplicador tiene entonces dos ejes perpendiculares, el eje horizontal y el vertical. Pero los problemas de estancamiento en el eje vertical son graves. En el caso de recuperación de energía eléctrica, interesa siempre utilizar el sistema de colectores escobillas.
Proteccion Contra Los Rayos.Los aerogeneradores se colocan generalmente en puntos elevados, y además deben ser más altos que los obstáculos de sus alrededores. Por tanto, frecuentemente constituyen los puntos de descarga de electricidad estática durante las tormentas.
Aunque, por propia constitución el generador está protegido contra las descargas eléctricas, por estar encerrado en una estructura metálica conectada a tierra (caja de Faraday), la instalación a la que está conectada puede ser destruida por las sobre tensiones que se propagan por el cable eléctrico de alimentación colocado entre el aerogenerador y la utilización. El generador eléctrico puede resultar dañado por contracorriente, en caso de que la utilización quede en cortocircuito.
Por tanto, para emplazamientos expuestos a posibles descargas atmosféricas, es indispensable: Conectar la torre soporte a una buena toma de tierra (inferior o a igual a 3 Û). Colocar disyuntores de gas en el punto de conexión de la utilización, con los cables eléctricos del aerogenerador. La tensión de cebado de los disyuntores debe ser aproximadamente el doble de la tensión máxima del generador eléctrico:
-dínamo: tensión en vacío X 2;
-alternador: tensión eficaz en vacío X 2.
Estos disyuntores deben estar conectados a la toma de tierra por una línea lo más directa posible.Soporte para aerogeneradores.Los aeromotores de pequeña y mediana potencia, pueden estar colocados en dos tipos de soporte: Soportes autoportantes:
Estructura metálica.
Tubulares.
De hormigón.
Soportes atirantados
Estructura metálica.
Tubulares.
Los soportes atirantados abatibles.El empuje en la parte superior del soporte es debido principalmente al arrastre del rotor, sobre todo si el sistema de regulación empleado es de arrastre máximo, cuyo valor es:T: Empuje en la parte superior del soporte (newton)
m: Masa volumétrica o densidad del aire (1,25 kg/m3)
S: Superficie barrida por el rotor (m?)
V: Velocidad del viento (m/s)
Cx: Coeficiente de empuje.
Remplazando:
S = 0,7375 m?
V = 7 m/s
Cx = 0,025
Resultado:
T = 0,56 nt
Siempre que el terreno lo permita, es aconsejable utilizar un soporte atirantado basculante, que facilite el mantenimiento del aeromotor y del mismo soporte, en el suelo y por tanto con una mayor comodidad y sin peligro.Empleando elementos tubulares, muy utilizados en los circuitos de distribución, y las bridas de unión normalizadas, la construcción de un soporte de hasta 15 m es simple y menos costoso que el soporte autoportante.Debe realizarse un atirantamiento con cuatro vientos, inclinados 45?, un cable de acero galvanizado, y de forma que el punto de anclaje sobre el soporte sea lo suficientemente bajo para no impedir el giro del rotor. La unión de los cables al suelo, debe hacerse a través de tensores que permitan regular la tensión de cada cable.
Cualquiera que sea el tipo de soporte utilizado, hay que tener en cuenta:
la protección contra la corrosión;
la facilidad de montaje y desmontaje de la máquina;
los riesgos de la formación de hielo.
Ý aspa Altura torre Altura ancla Mast. maniob. Secc. cable
2 m 15 m 14,2 m 3,6 m 11 m
5 m 15 m 13 m 4,5 m 20 m
Dimensionado de soportes atirantados y basculantesNivelación de los puntos de anclaje al suelo,Nos referimos aquí a los cables que se emplean para las maniobras de elevación y abatimiento de la torre soporte. Se emplean dos cables laterales para guiar la trayectoria de bajada y otros dos para subir o bajar el soporte.Los tensores permiten variar ligeramente la longitud de los cables, pero es insuficiente, y por tanto es indispensable colocar los cables laterales en el mismo plano horizontal que el pie del soporte, y alinearlos con el eje de basculamiento de dicho pie.
La posición del anclaje de los otros dos cables es menos importante. en terreno inclinado, debe colocarse el anclaje correspondiente al dispositivo de elevación (torno de tambor o cabría de fricción) en el punto menos elevado de los dos, ya que así se disminuirá el esfuerzo inicial.
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