Diseño de aerogeneradores

Punta sin pintar de una pala

La relación entre la velocidad de las puntas de las palas y la velocidad del viento se llama relación de velocidad de punta. Las turbinas de 3 palas de alta eficiencia tienen relaciones de velocidad de punta/velocidad del viento de 6 a 7.Las turbinas eólicas modernas están diseñadas para girar a velocidades variables (una consecuencia de su diseño de generador, véase más arriba). El uso de aluminio y materiales compuestos en sus palas ha contribuido a una baja inercia rotacional, lo que significa que los aerogeneradores más modernos pueden acelerar rápidamente si los vientos aumentan, manteniendo la relación de velocidad de punta más casi constante. Funcionar más cerca de su relación óptima de velocidad de punta durante las ráfagas de viento enérgicas permite a los aerogeneradores mejorar la captura de energía de las ráfagas repentinas que son típicas en los entornos urbanos.

En cambio, los aerogeneradores de estilo más antiguo se diseñaron con palas de acero más pesadas, que tienen una mayor inercia, y giraban a velocidades regidas por la frecuencia de CA de las líneas eléctricas. La alta inercia amortiguaba los cambios en la velocidad de rotación y, por lo tanto, hacía que la producción de energía fuera más estable.

En general, se entiende que el ruido aumenta con las velocidades de punta de las palas. Aumentar la velocidad de las palas sin aumentar el ruido permitiría reducir el par en la caja de engranajes y el generador y reducir las cargas estructurales totales, con lo que se reduciría el coste.La reducción del ruido está relacionada con la aerodinámica detallada de las palas, especialmente con los factores que reducen la entrada brusca en pérdida. La incapacidad de predecir la entrada en pérdida limita el desarrollo de conceptos aerodinámicos agresivos. Algunas palas (sobre todo en Enercon) tienen un winglet para aumentar el rendimiento y reducir el ruido.

Una pala puede tener una relación sustentación/arrastre de 120, frente a los 70 de un planeador y los 15 de un avión de pasajeros.

El buje

Un buje de aerogenerador siendo instalado

En los diseños sencillos, las palas están directamente atornilladas al buje y no pueden cabecear, lo que provoca una pérdida aerodinámica a partir de ciertas velocidades de viento. En otros diseños más sofisticados, están atornilladas al cojinete de cabeceo, que ajusta su ángulo de ataque con la ayuda de un sistema de cabeceo en función de la velocidad del viento para controlar su velocidad de rotación. El control del paso se realiza mediante sistemas hidráulicos o eléctricos (batería de plomo o ultracondensador). El cojinete de paso está atornillado al buje. The hub is fixed to the rotor shaft which drives the generator directly or through a gearbox.

Blade countEdit

The 98 meter diameter, two-bladed NASA/DOE Mod-5B wind turbine was the largest operating wind turbine in the world in the early 1990s

The NASA test of a one-bladed wind turbine rotor configuration at Plum Brook Station near Sandusky, Ohio

The number of blades is selected for aerodynamic efficiency, component costs, and system reliability. Las emisiones de ruido se ven afectadas por la ubicación de las palas a favor o en contra del viento de la torre y por la velocidad del rotor. Dado que las emisiones de ruido de los bordes de salida y las puntas de las palas varían en función de la quinta potencia de la velocidad de las palas, un pequeño aumento de la velocidad de las puntas puede suponer una gran diferencia.

Los aerogeneradores desarrollados en los últimos 50 años han utilizado casi universalmente dos o tres palas. Sin embargo, hay patentes que presentan diseños con palas adicionales, como el aerogenerador integrado con sistema de palas de rotor múltiple de Chan Shin.La eficiencia aerodinámica aumenta con el número de palas, pero con un rendimiento decreciente. Aumentar el número de palas de una a dos supone un incremento del seis por ciento en la eficiencia aerodinámica, mientras que aumentar el número de palas de dos a tres sólo supone un tres por ciento más de eficiencia. Aumentar aún más el número de palas produce mejoras mínimas en la eficiencia aerodinámica y sacrifica demasiado la rigidez de las palas a medida que éstas se vuelven más delgadas.

Teóricamente, un número infinito de palas de anchura cero es el más eficiente, operando a un valor alto de la relación de velocidad de punta. Pero otras consideraciones conducen a un compromiso de sólo unas pocas palas.

Los costes de los componentes que se ven afectados por el número de palas son principalmente para los materiales y la fabricación del rotor de la turbina y el tren de transmisión. En general, cuanto menor sea el número de palas, menores serán los costes de material y fabricación. Además, cuanto menor sea el número de palas, mayor será la velocidad de rotación. Esto se debe a que los requisitos de rigidez de las palas para evitar interferencias con la torre limitan el grosor de las palas, pero sólo para las máquinas a favor del viento; la desviación de las palas en una máquina a favor del viento provoca un aumento del espacio libre de la torre. Un menor número de palas con una mayor velocidad de rotación reduce los pares máximos en el tren de transmisión, lo que se traduce en menores costes de la caja de engranajes y del generador.

La fiabilidad 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 la torre. Al alinear el aerogenerador a los cambios en la dirección del viento (guiñada), cada pala experimenta una carga cíclica en su extremo raíz dependiendo de la posición de la pala. Esto ocurre con una, dos, tres palas o más. Sin embargo, estas cargas cíclicas, cuando se combinan en el eje del tren de transmisión, se equilibran simétricamente en el caso de tres palas, lo que permite un funcionamiento más suave durante la guiñada de la turbina. Las turbinas con una o dos palas pueden utilizar un cubo oscilante para eliminar casi por completo las cargas cíclicas en el eje de transmisión y el sistema durante la guiñada. Una turbina china de dos palas de 3,6 MW se está probando en Dinamarca. Mingyang won a bid for 87 MW (29 * 3 MW) two-bladed offshore wind turbines near Zhuhai in 2013.

Finally, aesthetics can be considered a factor in that some people find that the three-bladed rotor is more pleasing to look at than a one- or two-bladed rotor.

Blade materialsEdit

Several modern wind turbines use rotor blades with carbon-fibre girders to reduce weight.

In general, ideal materials should meet the following criteria:

• wide availability and easy processing to reduce cost and maintenance
• low weight or density to reduce gravitational forces
• high strength to withstand strong loading of wind and gravitational force of the blade itself
• high fatigue resistencia a la fatiga para soportar cargas cíclicas
• alta rigidez para garantizar la estabilidad de la forma y orientación óptimas de la pala y la holgura con la torre
• alta resistencia a la fractura
• la capacidad de soportar impactos ambientales como la caída de rayos humedad y temperatura

Esto reduce la lista de materiales aceptables. Los metales serían indeseables por su vulnerabilidad a la fatiga. Los cerámicos tienen una baja resistencia a la fractura, lo que podría provocar un fallo prematuro de las palas. Los polímeros tradicionales no son lo suficientemente rígidos como para ser útiles, y la madera tiene problemas de repetibilidad, especialmente teniendo en cuenta la longitud de la pala. Esto deja a los compuestos reforzados con fibra, que tienen una gran resistencia y rigidez y una baja densidad, como una clase de materiales muy atractiva para el diseño de turbinas eólicas.

Las velas de madera y lona se utilizaban en los primeros molinos de viento debido a su bajo precio, disponibilidad y facilidad de fabricación. Las palas más pequeñas pueden fabricarse con metales ligeros como el aluminio. Sin embargo, estos materiales 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 entre la resistencia y la fuerza capturada (baja eficiencia aerodinámica) en comparación con los perfiles aerodinámicos sólidos. La construcción de diseños de perfiles aerodinámicos sólidos requiere materiales inflexibles, como los metales o los compuestos. Algunas palas también llevan incorporados pararrayos.

Los nuevos diseños de aerogeneradores impulsan la generación de energía desde el rango de un solo megavatio hasta más de 10 megavatios utilizando palas cada vez más grandes. Un área más grande aumenta efectivamente la relación de velocidad de punta de una turbina a una velocidad de viento determinada, incrementando así su extracción de energía.Los programas de ingeniería asistida por ordenador, como HyperSizer (desarrollado originalmente para el diseño de naves espaciales), pueden utilizarse para mejorar el diseño de las palas.

A partir de 2015, los diámetros del rotor de las palas de los aerogeneradores terrestres llegan a ser de 130 metros, mientras que el diámetro de las turbinas marinas alcanza los 170 metros. Se calcula que en 2001 se utilizaron 50 millones de kilogramos de laminado de fibra de vidrio en las palas de los aerogeneradores.

Un objetivo importante de los sistemas de palas más grandes es controlar el peso de las mismas. Dado que la masa de las palas se escala como el cubo del radio de la turbina, la carga debida a la gravedad limita los sistemas con palas más grandes. Las cargas gravitacionales incluyen cargas axiales y de tracción/compresión (parte superior/inferior de la rotación), así como de flexión (posiciones laterales). La magnitud de estas cargas fluctúa cíclicamente y los momentos laterales (véase más adelante) se invierten cada 180° de rotación.Las velocidades típicas del rotor y su vida útil son de ~10 y 20 años, respectivamente, con un número de revoluciones de por vida del orden de 10^8. Considerando el viento, se espera que las palas de las turbinas pasen por ~10^9 ciclos de carga.El viento es otra fuente de carga para las palas del rotor. El viento es otra fuente de carga para las palas del rotor. La elevación provoca la flexión en la dirección plana (fuera del plano del rotor), mientras que el flujo de aire alrededor de la pala provoca la flexión en los bordes (en el plano del rotor). La flexión de las palas implica tensión en el lado de presión (viento arriba) y compresión en el lado de succión (viento abajo). La flexión en los bordes implica tensión en el borde de ataque y compresión en el borde de salida.

Las cargas del viento son cíclicas debido a la variabilidad natural de la velocidad del viento y la cizalladura del viento (velocidades más altas en la parte superior de la rotación).

El fallo en la carga última de las palas del rotor de la turbina eólica expuestas a la carga del viento y la gravedad es un modo de fallo 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 de tensión en las palas del rotor. Asimismo, la resistencia de las palas del rotor, en términos de su resistencia a la tracción, presenta una variabilidad natural.

A la luz de estos modos de fallo y de unos sistemas de palas cada vez más grandes, se ha realizado un esfuerzo continuo para desarrollar materiales rentables con una mayor relación resistencia-masa. Para prolongar la actual vida útil de 20 años de las palas y permitir que las palas de mayor superficie sean rentables, es necesario optimizar el diseño y los materiales en cuanto a rigidez, fuerza y resistencia a la fatiga.

La mayoría de las palas de aerogeneradores que se comercializan actualmente están fabricadas con polímeros reforzados con fibras (FRP), que son compuestos formados por una matriz de polímero y fibras. Las fibras largas aportan rigidez y resistencia longitudinal, y la matriz proporciona resistencia a la fractura, resistencia a la delaminación, resistencia fuera del plano y rigidez. Se ha demostrado que los índices de materiales basados en la maximización de la eficiencia energética, y que tienen una alta tenacidad a la fractura, resistencia a la fatiga y estabilidad térmica, son los más altos para los plásticos reforzados con fibra de vidrio y de carbono (GFRP y CFRP).

En los álabes de las turbinas, se utilizan matrices como los termoestables o los termoplásticos, siendo los primeros más comunes. Éstas permiten que las fibras se aglutinen y añadan dureza a la pala. Los termoestables representan el 80% del mercado, ya que permiten un curado a baja temperatura y una menor viscosidad, lo que facilita su procesamiento. Los termoplásticos ofrecen una reciclabilidad que los termoestables no ofrecen, sin embargo, la temperatura de procesamiento y la viscosidad son mucho más altas, lo que limita el tamaño y la consistencia que es importante para las palas grandes. La resistencia a la fractura es mayor en los termoplásticos, pero el comportamiento a la fatiga es peor. Aunque los termoplásticos ofrecen una posible ventaja medioambiental, hay que seguir investigando.

Palas de epoxi reforzado con fibra de vidrio de los aerogeneradores Siemens SWT-2.3-101. El tamaño de las palas, de 49 metros, se corresponde con el de una subestación situada detrás de ellas en el parque eólico de Wolfe Island.

La fabricación de palas de entre 40 y 50 metros requiere técnicas probadas de fabricación de compuestos de fibra de vidrio. Fabricantes como Nordex SE y GE Wind utilizan un proceso de infusión. Otros fabricantes utilizan variaciones de esta técnica, algunas de las cuales incluyen carbono y madera con fibra de vidrio en una matriz de epoxi. Otras opciones son la fibra de vidrio preimpregnada («prepreg») y el 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. Tal vez el mayor problema de los sistemas más simplistas, de molde abierto y húmedo, sean las emisiones asociadas a los compuestos orgánicos volátiles liberados. Los materiales preimpregnados y las técnicas de infusión de resina evitan la liberación de volátiles al contener todos los COV. Sin embargo, estos procesos contenidos tienen sus retos, a saber, la producción de laminados gruesos necesarios para los componentes estructurales se hace más difícil. Como la permeabilidad de la resina de la preforma dicta el grosor máximo del laminado, es necesario el sangrado para eliminar los huecos y garantizar una distribución adecuada de la resina.Una solución para la distribución de la resina una fibra de vidrio parcialmente impregnada. Durante la evacuación, el tejido seco proporciona una vía para el flujo de aire y, una vez aplicados el calor y la presión, la resina puede fluir hacia la región seca, lo que da lugar a una estructura de laminado completamente impregnada.

Los composites de base epoxi tienen ventajas medioambientales, de producción y de coste sobre otros sistemas de resina. Los epoxis también permiten ciclos de curado más cortos, mayor durabilidad y mejor acabado superficial. Las operaciones de preimpregnado reducen aún más el tiempo de procesamiento con respecto a los sistemas de laminación en húmedo. A medida que las palas de las turbinas superan los 60 metros, las técnicas de infusión se vuelven más frecuentes; el tiempo de inyección tradicional del moldeo por transferencia de resina es demasiado largo en comparación con el tiempo de preparación de la resina, lo que limita el grosor del laminado. La inyección fuerza la resina a través de una pila de capas más gruesas, depositando así la resina en la estructura del laminado antes de que se produzca la gelificación. Se han desarrollado resinas epoxi especializadas para personalizar la vida útil y la viscosidad.

Los largueros reforzados con fibra de carbono pueden reducir el peso y aumentar la rigidez. Se calcula que el uso de fibras de carbono en palas de turbinas de 60 metros reduce la masa total de las palas en un 38% y disminuye el coste en un 14% en comparación con el 100% de fibra de vidrio. Las fibras de carbono tienen la ventaja añadida de reducir el grosor de las secciones laminadas de fibra de vidrio, con lo que se solucionan los problemas asociados a la humectación de la resina de las secciones gruesas del laminado. Los aerogeneradores también pueden beneficiarse de la tendencia general de aumentar el uso y reducir el coste de los materiales de fibra de carbono.

Aunque las fibras de vidrio y de carbono tienen muchas cualidades óptimas para el rendimiento de las palas de las turbinas, estos rellenos actuales tienen varios inconvenientes, como el hecho de que una fracción de relleno elevada (10-70 % en peso) provoca un aumento de la densidad, así como defectos y vacíos microscópicos que a menudo provocan fallos prematuros.

Los últimos avances incluyen el interés por utilizar nanotubos de carbono (CNT) para reforzar los nanocompuestos basados en polímeros. Los CNT pueden cultivarse o depositarse sobre las fibras o añadirse a las resinas poliméricas como matriz para las estructuras FRP. El uso de CNT a nanoescala como relleno en lugar del relleno tradicional a microescala (como las fibras de vidrio o de carbono) da lugar a nanocompuestos de CNT/polímero, cuyas propiedades pueden cambiar significativamente con contenidos de relleno muy bajos (normalmente < 5 wt%). Tienen una densidad muy baja 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, que puede ser un problema en los FRP tradicionales.

La investigación actual sobre una fibra de carbono de bajo coste (LCCF) en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge también ha llamado la atención, sin embargo, ya que puede mitigar la degradación estructural causada por la caída de rayos. En los aerogeneradores de fibra de vidrio, se suele añadir una protección contra los rayos (LSP) en la parte superior, pero ésta es efectivamente un peso muerto en términos de contribución estructural. Sustituirlo por fibra de carbono conductora, sobre todo porque la fibra de carbono es un material mejor, sería ideal.

Otro avance reciente de la investigación es el uso de compuestos de polímero que presentan propiedades de autocuración para los materiales de las palas. Los polímeros autorregenerativos son atractivos para esta aplicación, ya que las palas de la turbina forman grietas por fatiga debido a las tensiones cíclicas repetitivas, descritas anteriormente, y por lo tanto pueden mejorar la fiabilidad y actuar como un amortiguador de diversos defectos y delaminaciones. Así, en esta aplicación, el polímero se utiliza para curar las grietas a medida que se forman. En concreto, un estudio se centra en la incrustación de hilos de cobre recubiertos de parafina en un polímero reforzado con fibras para crear una red de tubos. Utilizando estos tubos, el diciclopentadieno (DCPD) y un catalizador, que luego reaccionan para formar un polímero termoestable, que repara las grietas que se forman en el material. Aunque se trata de un proceso todavía incipiente de R&D, ofrece un desarrollo prometedor, especialmente para las redes de polímeros que son propensas a los defectos de fabricación o para las turbinas en entornos marítimos que están sometidas a una fatiga extremadamente alta debido a los potentes vientos.

Es posible una mejora adicional mediante el uso de nanofibras de carbono (CNF) en los revestimientos de las palas. Un problema importante en los entornos desérticos es la erosión de los bordes de ataque de las palas por la arena que transporta el viento, que aumenta la rugosidad y disminuye el rendimiento aerodinámico. La resistencia a la erosión por partículas de los polímeros reforzados con fibras es pobre en comparación con los materiales metálicos y los elastómeros, y es necesario mejorarla. Se ha demostrado que la sustitución de la fibra de vidrio por CNF en la superficie del compuesto mejora considerablemente la resistencia a la erosión. También se ha demostrado que los CNF proporcionan una buena conductividad eléctrica (importante para los rayos), un alto índice de amortiguación y una buena resistencia a la fricción por impacto. Estas propiedades hacen que el nanopapel a base de CNF sea un posible revestimiento para las palas de los aerogeneradores.

En el caso de los aerogeneradores, especialmente los que están en alta mar, o en entornos húmedos, también se produce una erosión de la superficie de la base de agua. Por ejemplo, en climas fríos, el hielo puede acumularse en las palas y aumentar la rugosidad, disminuyendo la potencia y la vida útil de las palas de la turbina. Además, cuando el álabe gira a altas velocidades, puede producirse este mismo impacto de erosión por el agua de lluvia. Por lo tanto, un revestimiento que tenga un bajo coste de instalación y no consuma energía durante su vida útil es una buena solución. Un revestimiento debe tener las siguientes propiedades: buena adherencia con la pala, resistencia a la temperatura (por los cambios estacionales), resistencia a la intemperie (para resistir la erosión de la sal, la lluvia, la arena, etc.), buena resistencia mecánica, capacidad de soportar la luz ultravioleta y tener propiedades anticongelantes y retardantes de la llama. Además, el revestimiento debe ser barato y respetuoso con el medio ambiente.

Un área actual de investigación sobre estos revestimientos para la prevención de la erosión por hielo/agua son las superficies superhidrófobas (SHS), en las que las gotas de agua se acumulan y se desprenden de las cuchillas al girar. Las SHS han demostrado que también evitan la formación de hielo, hasta -25 C, ya que se ha descubierto que cambian el proceso de formación de hielo; concretamente, se forman pequeñas islas de hielo en las SHS, en lugar de un gran frente de hielo. Además, debido a la menor superficie de la superficie hidrofóbica, las fuerzas aerodinámicas sobre la pala permitieron que estas islas se deslizaran fuera de la pala, impidiendo una mayor formación. Se están estudiando otras estrategias para combinar estos revestimientos con elementos de calefacción a lo largo de las palas para evitar aún más la formación de hielo, pero a medida que la industria presiona para que las palas sean más largas, el consumo de energía para calentar las palas aumenta.

Otra fuente importante de degradación para las palas de las turbinas es el daño causado por los rayos, que en el transcurso de una vida útil normal de 25 años se espera que experimente una serie de impactos de rayos a lo largo de su servicio. La gama de daños causados por los rayos va desde el mero chamuscado y agrietamiento del material laminado a nivel superficial, hasta la rotura de la pala o la separación total de los adhesivos que la mantienen unida. Lo más común es observar impactos de rayos en las puntas de las palas, especialmente en tiempo de lluvia, debido a que el cableado de cobre del interior atrae a los rayos. El método más común para combatir esto, especialmente en los materiales no conductores de las palas, como los GFRP y los CFRP, es añadir «pararrayos», que no son más que cables metálicos que proporcionan un camino ininterrumpido hacia el suelo, saltándose las palas y la caja de cambios por completo para eliminar el riesgo de daños en esos componentes.

Reciclaje de palas

El Consejo Mundial de la Energía Eólica (GWEC) predice que la energía eólica suministrará el 15,7% de las necesidades energéticas totales del mundo para el año 2020, y el 28,5% para el año 2030. Este espectacular aumento de la generación de energía eólica en el mundo requerirá la instalación de una flota más nueva y más grande de aerogeneradores más eficientes y el consiguiente desmantelamiento de los más antiguos. Según un estudio realizado por la Asociación Europea de Energía Eólica, solo en el año 2010, la industria de los aerogeneradores consumió entre 110 y 140 kilotoneladas de materiales compuestos para la fabricación de palas. La mayor parte del material de las palas acabará siendo un residuo, y para dar cabida a este nivel de residuos de materiales compuestos, la única opción es el reciclaje. A partir de 2020, la mayoría de las palas al final de su uso se almacenan temporalmente o se envían a vertederos en lugar de reciclarse. Normalmente, los polímeros reforzados con fibra de vidrio (GFRP) constituyen alrededor del 70% del material laminado de la pala. Los GFRP dificultan la incineración y no son combustibles. Por lo tanto, es necesario modificar los métodos de reciclaje convencionales. En la actualidad, dependiendo de si se pueden recuperar las fibras individuales, existen algunos métodos generales para reciclar los GFRP en las palas de los aerogeneradores:

• Reciclaje mecánico: Este método no recupera las fibras individuales. Los procesos iniciales implican la trituración, el aplastamiento o el fresado. Las piezas trituradas se separan en fracciones ricas en fibra y en resina. Estas fracciones se incorporan finalmente a los nuevos composites, ya sea como rellenos o refuerzos.
• Procesamiento químico/pirólisis: La descomposición térmica de los compuestos se utiliza para recuperar las fibras individuales. Para la pirólisis, el material se calienta hasta 500 °C en un entorno sin oxígeno, lo que provoca su descomposición en sustancias orgánicas de menor peso y productos gaseosos. Las fibras de vidrio pierden, por lo general, el 50% de su resistencia inicial y ahora pueden reciclarse para aplicaciones de refuerzo de fibra en pinturas u hormigón. La investigación ha demostrado que esta opción de fin de vida es capaz de recuperar hasta aproximadamente 19 MJ/kg. Sin embargo, este método tiene un coste relativamente alto y requiere un preprocesamiento mecánico similar. Además, aún no se ha modificado para satisfacer la futura necesidad de reciclaje de palas de aerogeneradores a gran escala.
• Reciclaje estructural directo de materiales compuestos: Desarrollado para combatir las ineficiencias y los costes asociados a los procesos de reciclaje químico, térmico y mecánico, que reducen las propiedades de rendimiento o sólo actúan como relleno de otros composites. La idea general de este método es reutilizar el material compuesto tal cual, lo que puede lograrse especialmente en materiales compuestos de mayor tamaño, ya que puede dividirse en varias piezas que pueden utilizarse en otras aplicaciones tal cual, sin alterar las propiedades químicas del componente compuesto.

Una empresa de nueva creación, Global Fiberglass Solutions, afirma tener un método para descomponer las láminas y prensarlas en pellets y tableros de fibra para utilizarlos en suelos y paredes. La empresa empezó a producir muestras en una planta de Sweetwater (Texas), cerca de la mayor concentración de parques eólicos del continente. Tiene prevista otra operación en Iowa.