En el
diseño de los álabes de las modernas turbinas a viento, se utiliza el principio
de las alas de los aviones, que si bien se usó en molinos a viento desde unos 600 años antes
que en los aviones, se hacía sin una explicación teórica precisa. Además se han
estudiado todos los detalles del comportamiento del viento, mientras acciona a
la turbina, a fin de capturar la mayor cantidad de energía posible. Algunos
llaman “palas”, a los álabes de las turbinas a viento, pero por tratarse de una
turbina, el nombre correcto es álabes, reservando la palabra palas para las
herramientas que se usan para cavar o mover la tierra.
En la
Fig.1 se muestra la sección transversal aerodinámica del ala
de un avión.
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Fig.1
– Sección transversal del ala de un avión. Cortesía de Wikipedia:
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En
la Fig.2 se
muestra el álabe de una turbina a viento con su sección transversal aerodinámica similar a la del ala de un avión.
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Fig. 2 – Álabe de una turbina a viento mostrando su
constitución
de perfiles aerodinámicos como las alas de un avión.
Captura de
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Los conceptos
básicos en los aviones
Enunciaremos los conceptos básicos para los aviones. Luego, basándonos en
ellos, lo haremos para las turbinas a viento, tratando de asociar ambas cosas.
En la Fig.3
se muestra el detalle de un perfil aerodinámico de la sección transversal del
ala de un avión.
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Fig.3 – Parámetros básicos del perfil de la sección transversal
del ala de un avión
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Trayectoria de vuelo: Es la dirección
seguida por el perfil aerodinámico durante su desplazamiento en el aire; es
decir es la trayectoria que siguen las alas y por lo tanto el avión.
Viento relativo: Es el flujo de aire que
produce el avión al desplazarse. El viento relativo es paralelo a la trayectoria
de vuelo y de sentido opuesto. Su velocidad es la relativa del avión con respecto
a la velocidad de la masa de aire en que este se mueve.
Extrados: contorno superior del
perfil aerodinámco del ala entre el borde de ataque y el borde de fuga.
Intrados: contorno inferior del
perfil aerodinámico del ala, entre el borde de ataque y el borde de fuga.
Línea de cuerda: línea recta definida por
dos puntos, el borde de ataque y el borde de salida.
Cuerda: segmento de recta entre el borde de ataque y el borde de salida,
contenido en la línea de cuerda.
Borde de ataque: es el borde
delantero del ala, o, dicho de otra forma, la parte del perfil del ala que
primero toma contacto con el flujo de aire. Es el punto en el que primeramente
el aire toma contacto para que posteriormente tome dos rumbos: parte del aire
pasa por el extradós y la otra parte del aire pasa por
el intradós.
Borde de fuga: es el punto del
perfil de un ala en el que el aire del extradós y
del intradós abandonan el contacto con el ala. Es el borde posterior del
ala.
Ángulo de ataque: es el ángulo agudo
formado entre la cuerda del perfil del ala y la dirección del viento relativo.
Las cuatro
fuerzas que actúan sobre un avión en vuelo
En la
Fig.4 (a) y (b) se pueden ver las 4 fuerzas que actúan sobre
un avión en vuelo. El empuje o tracción
(thrust en inglés) es producido por
los motores o turbinas del avión y la resistencia
al avance (drag en inglés), también
llamado arrastre, es producido por
el frotamiento del aire.
Los aeronáuticos descubrieron que cuando el ala de un
avión se mueve en el aire, el flujo de aire que circula por la parte superior
del perfil (Extrados) lo hace a mayor velocidad que el que circula por debajo
(Intrados). A partir de esto, mediante la aplicación del teorema de Bernoullí y
la 3º Ley de Newton, llegaron a la conclusión de que la presión del aire contra
el ala es mayor en la parte inferior que en la parte superior. Esto trajo como
consecuencia que se produzca una fuerza resultante de la diferencia entre ambas
presiones, con sentido hacia arriba (sustentación
en español y lift en inglés), que
compensa la fuerza de la gravedad (peso
del avión, weight en inglés) y es lo
que les ha permitido volar con un aparato más pesado que el aire. Esto es
válido, como veremos a continuación, mientras el flujo de aire se mantenga en
régimen “laminar”, en el cual es válido el teorema de Bernoullí.
Si bien hay muchas opiniones encontradas sobre la
explicación de algunos detalles de este principio, lo podemos utilizar con
tranquilidad porque los aviones se mantienen en el aire con su aplicación.
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Fig.4 (a) – Las 4 fuerzas que actúan sobre un avión en
vuelo (en inglés)
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Fig.4 (b) – Las 4 fuerzas que actúan sobre un avión en
vuelo (en español)
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Importancia del ángulo de ataque en
aviación
Cambiando
el ángulo de ataque el piloto controla la sustentación, la velocidad, la resistencia,
etc. El ángulo de ataque controla directamente la distribución de presiones
arriba y abajo de las alas.
A
medida que se incrementa el ángulo de ataque tenemos más sustentación (y
también más resistencia). Pero este proceso tiene un límite. Cuando el ángulo
de ataque excede el “ángulo crítico” comienza a disminuir la sustentación hasta
producirse la entrada en “pérdida”.
La
pérdida (en inglés stall) es el efecto provocado por la incapacidad de las alas
para seguir produciendo sustentación y se produce cuando el avión vuela con un
ángulo de ataque mayor que el ángulo de ataque crítico. No hay nada
mágico en este ángulo, la sustentación no cae a cero, es más, en este punto es
donde se alcanza el coeficiente máximo de sustentación. Lo que sucede es que pasado
este ángulo critico, disminuye la sustentación y la resistencia se incrementa
dando lugar a la entrada en pérdida.
Flujo laminar: Es un flujo en el cual el fluido puede ser considerado
que se mueve en capas uniformes denominadas láminas.
Flujo turbulento: En este tipo de flujo las láminas fluyen
desorganizadas, tanto en su dirección como en su velocidad.
Si el régimen del flujo de aire que recorre el perfil deja de ser laminar,
se va haciendo cada vez más turbulento, hasta que llegará un momento en que
perderá la sustentación o lift y el teorema de Bernoullí deja de ser aplicable.
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Fig.5 – El flujo laminar de aire se rompe, no hay fuerza
lift para
sostener al avión en el aire cuando el ángulo de ataque
es excesivamente
grande.
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Aplicación
a las turbinas a viento
Una turbina con el eje del rotor montado horizontalmente (paralelo
al suelo) se conoce como turbina eólica de eje horizontal y en la literatura en
inglés se la llama HAWT (Horizontal
Axis Wind Turbine). Al aerogenerador de eje vertical se lo llama VAWT (Vertical Axis Wind Turbine). Como ejemplo de VAWT, tenemos a la
turbina Savonius, que aprovecha la
fuerza Drag, que es mayor en la parte
cóncava de los álabes (Fig.6). Esta diferencia entre las fuerzas es lo que hace
girar a la turbina sobre el eje vertical.
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Fig.6 – Turbina Savonius de eje vertical, que es
accionada por la fuerza drag.
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A partir de ahora nos referiremos exclusivamente a las
turbinas HAWT, es decir de eje
horizontal.
Cuando se prueban las diferentes partes de un avión en los
túneles de viento, estas permanecen quietas y lo que se mueve es el aire
(viento), asemejándose a la realidad de los aerogeneradores. A fin de los
análisis, ambas situaciones se consideran equivalentes.
En las modernas turbinas, que tienen un perfil aerodinámico,
se aprovecha la fuerza de sustentación (LIFT), para hacer girar los álabes, como
muestra la Fig.7 .
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Fig.7 – Fuerza lift en acción haciendo girar los álabes
aerodinámicos.
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Utilizando una veleta como sensor de la dirección del
viento, un sistema automático de control gira la góndola, de manera que el eje
del rotor quede siempre alineado en paralelo con la dirección del viento, para
que siempre el viento impacte de frente al rotor, como se muestra en la Fig.8 y en la Fig.9. El giro se
realiza mediante un mecanismo con engranajes, ubicado debajo de la base de la
góndola. Esta función se denomina Yaw-drive
en inglés y se puede ver en la
Fig.12 .
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Fig.8 – Alineamiento de la turbina con el viento, usando
una
veleta como sensor, ubicada en la parte superior trasera
de
la góndola.
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Fig.9
– Vista del anemómetro prara medir la velocidad del viento y de la
veleta
para sensar la dirección del viento. Ambos ubicados en la parte
superior
trasera de la góndola del aerogenerador.
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El
viento que llega a los álabes del rotor de un aerogenerador HAWT no viene de la dirección en la que
el viento sopla en el entorno, es decir, de la parte delantera de la turbina.
Esto es debido a que los propios álabes del rotor se están moviendo.
El viento que llega al perfil de cada sección transversal de los álabes,
lo hará con una velocidad resultante de la suma de la velocidad del viento que está
alineada con el eje del rotor de la turbina más la velocidad con la que se está
moviendo cada sección transversal. (Fig.10).
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Fig.10
– Triángulo de velocidades del viento
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Al
viento cuya velocidad está alineada con el eje del rotor, se le suele llamar “viento
real”. Al viento cuya
velocidad impacta sobre el perfil de cada sección transversal de los álabes se
le suele llamar “viento aparente” o “viento relativo”. Y por último, a la velocidad de cada
sección transversal de los álabes, se le suele llamar “viento rotacional”.
La
velocidad angular de la turbina (medido en radianes/segundo) será la misma para
toda la turbina y para el perfil de cada sección transversal de los álabes la
velocidad tangencial será diferente y vendrá dada por:
v = ω . r
Donde
v es la velocidad tangencial del perfil
de cada sección transversal del álabe (viento rotacional), ω es la velocidad angular del rotor y r es la distancia de cada sección transversal al eje del rotor.
Para una velocidad del viento real dada, la
velocidad del viento aparente será diferente en la raíz del álabe que el viento
aparente en la punta del álabe, porque la velocidad del viento rotacional es
diferente.
El ángulo que forma la dirección del viento
aparente con la línea de cuerda del perfil aerodinámico, se define como el ángulo
de ataque de la turbina eólica. Al
igual que con las alas del avión, la sustentación (lift) aumenta a medida que
el ángulo de ataque aumenta de 0º a un máximo de aproximadamente 15º, en cuyo
punto cesa el flujo laminar suave del aire sobre el álabe y el flujo de aire se
separa del perfil aerodinámico y se vuelve turbulento. Por encima de este punto, la fuerza de
sustentación (lift) se deteriora rápidamente mientras que el arrastre aumenta y
conduce a un bloqueo.
Para
una velocidad angular ω dada, la
velocidad tangencial v de las
secciones transversales del álabe aumenta desde la raiz a lo largo del álabe
hacia la punta, de modo que la inclinación del álabe debe retorcerse para
mantener el ángulo de ataque óptimo en todas las secciones transversales a lo
largo de la longitud del álabe. Así el giro del álabe estárá
optimizado para una velocidad del viento dada. Sin embargo, a
medida que la velocidad del viento cambie, la torsión ya no será óptima. Para
mantener el ángulo de ataque óptimo a medida que aumenta la velocidad del
viento, entrará en acción el mecanismo que, sensando la velocidad del viento
con el anemómetro, hace girar los álabes, como se muestra en la Fig.11 , para retomar los
ángulos de ataque óptimos para el nuevo viento. Este mecanismo se llama Pitch Controler en inglés y se puede
ver en la Fig.12.
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Fig.11 – Los álabes giran en función
del viento para retomar el ángulo de
ataque óptimo
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El
pitch controler también tiene la misión de girar los álabes cuando hay un
viento muy fuerte, reduciendo la velocidad, para evitar una sobrepotencia o que
la turibina se dañe. En síntesis, el Pitch Controler actúa como un regulador de
velocidad.
Además
las turbinas cuentan con un freno que actúa como una pinza sobre el eje y que
las detiene completamente cuando hay un viento muy fuerte, como se muestra en la Fig.13 .
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Fig.12 – Vista de un aerogenerador General Electric de 4MW, sin caja multiplicadora, con generador
sincrónico de imanes permanentes, rectificador e inversor, tiene Yaw drive para
que la góndola rote y se ubique siempre con el eje del rotor paralelo a la
dirección del viento, usando una veleta como sensor de la dirección del viento
y control electrónico. Dispone además de pitch controller para que las palas
(blades) puedan girar y mantener el ángulo de ataque óptimo con la dirección
del viento en cada momento, regulando así la velocidad tangencial del rotor.
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Fig.13 – Freno que detiene completamente la rotación de la turbina
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La curva de potencia de una turbina
a viento
La
curva de potencia de una turbina eólica es un gráfico que indica cual será la
potencia eléctrica de salida para la turbina a diferentes velocidades del viento
real.
Las
curvas de potencia se trazan mediante mediciones de campo, donde se coloca un anemómetro en
un mástil razonablemente cerca de la turbina eólica (no en la propia turbina o
demasiado cerca de ella, ya que el rotor de la turbina puede crear turbulencias
y hacer que la velocidad del viento no sea confiable).
Si
la velocidad del viento no está fluctuando demasiado rápido, se pueden usar las
medidas de velocidad del viento del anemómetro y leer la potencia eléctrica
emitida por la turbina eólica y trazar los dos valores juntos en un gráfico
como el de la Fig.14 .
También
se pueden usar los datos obtenidos del sistema SCADA que forma parte de la
instalación del parque eólico.
El
estándar describe la metodología de medición para la curva de potencia medida,
que se determina mediante la medición simultánea de la velocidad del viento y
la potencia de salida en el sitio de prueba.
La
curva se divide en 4 regiones: 1º) Cuando la turbina está parada, a la
izquierda, hasta que arranca en cut – in speed, a una velocidad del viento real
de 3,5 m/seg; 2º)Desde que la turbina aaranca, hasta que llega a la potencia
nominal, con una velocidad del viento real de 14 m/seg; 3º) Desde que llega a
la potencia nominal, hasta que es parada por la acción del freno a 25 m/seg. En
esta zona actúa el pitch controller, regulando su velocidad; 4º) Desde que es
parada por la acción del freno, debido a fuertes vientos, quedando fuera de
servicio.
Los
valores de los vientos indicados en la curva son típicos para todas las
turbinas.
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Fig.14 – Curva típica de potencia eléctrica de salida de una turbina a
viento, con pitch controller, en función
de la velocidad del viento real.
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