Dr. Ing. Eduardo A. Brizuela 

 

Introducción

Los generadores eléctricos movidos por energía eólica son una fuente de energía alternativa muy atractiva, sobre todo por el mínimo impacto ambiental de su funcionamiento y por la posibilidad de incrementar la producción simplemente añadiendo más aerogeneradores en el sitio.

Sin embargo los aerogeneradores presentan ciertas características que impactan fuertemente en el costo de fabricación, erección y mantenimiento. Se puede citar  el costo de fabricación y erección del aerogenerador, cuyo elevado peso requiere una torre robusta y una compleja maniobra de erección. Similarmente, la dificultad en instalar y remover piezas de gran peso y tamaño de la góndola hace que se tienda a maximizar la confiabilidad de los componentes mayores, con el consiguiente incremento de costo.

Este trabajo presenta una idea proyecto de una instalación alternativa para un aerogenerador, buscando precisamente disminuir los costos de fabricación, erección y mantenimiento. La idea se ejemplifica comparándola con una instalación comercialmente disponible, para hacer resaltar las diferencias y las ventajas que se pueden estimar.

Aerogenerador comercial

La disposición general de un aerogenerador típico se ilustra muy esquemáticamente en la Figura 1.

Figura 1: Aerogenerador típico

Debido a su gran tamaño y a las usualmente bajas velocidades de viento las palas giran a velocidades sumamente bajas, de unas pocas revoluciones por minuto. Para evitar utilizar generadores eléctricos con un elevado número de polos es usual intercalar una caja de engranajes para incrementar la velocidad de rotación en uno o dos órdenes de magnitud, dependiendo de la potencia de la instalación, el tipo de alternador, etc. Esta caja de engranajes es de relativamente grandes  dimensiones y peso debido al elevado torque que producen las palas.

Para este trabajo se ha elegido un aerogenerador de capacidad nominal 1 MW. La torre mide unos 57 metros y pesa unas 78 toneladas. Cada pala pesa unas 4 toneladas y el conjuntos de las palas y el cubo con el control de ángulo de las palas pesa 26 toneladas. Las palas giran entre 12 y 21.5 revoluciones por minuto.

La góndola aloja una caja de engranajes con una relación de multiplicación de 78 a 1, el alternador con su sistema de enfriamiento y otros sistemas, conjunto que pesa 40 toneladas.

Realización alternativa

La idea de este trabajo se esquematiza en la Figura 2.

Figura 2: Aerogenerador con accionamiento hidráulico

 

El conjunto de las palas se acopla directamente a un motor hidráulico de pistones radiales, trabajando como bomba hidráulica. Las líneas hidráulicas de alta y baja presión descienden por la torre hasta el nivel del suelo donde accionan un segundo motor hidráulico, esta vez actuando como motor, el cual acciona el generador eléctrico.

Para comparar con el ejemplo se han elegido los siguientes componentes:

El motor bomba tiene una cilindrada de 150 litros por revolución, y puede funcionar a 350 bar de presión. La velocidad de rotación nominal es de 16 rpm, y la máxima 24 rpm. La potencia máxima intermitente es de 1.6 MW, y su peso es de 6500 kg.

A 10 rpm y 350 bar este motor entrega aproximadamente 900 kW.

El motor de altas rpm elegido tiene una cilindrada de 1 litro por revolución, y puede funcionar a 350 bar de presión. La velocidad de rotación máxima es de 1600 rpm. Su peso es de 336 kg.

A 1500 rpm y 350 bar este motor entrega aproximadamente 900 kW.

El alternador es un modelo comercial de 1500 rpm.

Discusión

Las ventajas de la realización alternativa se refieren a la fabricación, erección y mantenimiento del sistema.

Con respecto a la fabricación, se nota que en la góndola se reduce el peso de 40 a 6.5 toneladas, con lo que tanto la torre como la góndola pueden ser menos robustas. También habrá menos sistemas para alojar en la góndola.

Se nota que desaparece la necesidad de una caja de engranajes ya que el incremento de velocidad de rotación se obtiene por la razón de las cilindradas de los motores hidráulicos.

La erección del sistema se ve beneficiada por la reducción en el peso de la góndola y el menor número de componentes en ella..

Con respecto al mantenimiento predictivo, se nota que el motor bomba es un motor hidráulico girando a 10 rpm y bañado en aceite, por lo que se puede asumir que será de gran fiabilidad y con largos periodos de mantenimiento. El mantenimiento correctivo, si fuese necesario, también se ve favorecido por el reducido peso, que facilita la remoción y reinstalación del motor bomba.

Es interesante notar que, al haber ya en la torre una instalación hidráulica de alta presión, se podría pensar en prever la adición de una pluma de grúa desmontable, con un guinche hidráulico de, digamos, 10 toneladas de capacidad, para remover e instalar, no sólo el motor bomba, sino también las palas, el sistema de control de paso de las palas, etc., obviando la necesidad de grúas en tierra de gran tamaño.

El equipamiento en tierra consiste principalmente en un motor hidráulico relativamente pequeño, operando dentro de sus parámetros de diseño, y un alternador comercial, por lo que tanto el mantenimiento predictivo como el correctivo pueden hacerse con las herramientas y métodos usuales de la industria, a mucho menor costo. En un parque eólico se puede llegar a considerar tener uno o más motores de tierra y alternadores de repuesto para un rápido reemplazo en caso de de mantenimiento correctivo o necesidad de una recorrida programada. Compárese esto con la misma operación pero con el equipamiento instalado en la góndola.

También es interesante notar que puede haber una mejora en el sistema de control. Por supuesto que el sistema de control de paso de las palas se debe conservar por razones obvias. Pero la actuación hidráulica del motor de tierra permite idear un sistema de bypass para controlar la velocidad de rotación del alternador mucho más rápidamente y con precisión, mientras las palas reajustan su estado.

Con respecto al costo, se nota que se añaden dos motores hidráulicos y la correspondiente instalación de cañerías de alta presión, y se elimina la caja de engranajes y el cableado de potencia. El precio en U$S de estos componentes depende de muchos factores, tales como la cantidad a proveer, los tiempos, la ubicación del fabricante y el cliente, etc. Con la información disponible se estima que el costo de ambos motores hidráulicos es del orden del valor de la caja de engranajes.

Se estima que el costo de la nueva realización puede incluso ser menor que la forma tradicional si se consideran los siguientes puntos:

·       La reducción de peso y robustez de la torre y góndola

·       El menor costo de erección

·       La eliminación de la caja de engranajes

·       El costo relativamente bajo de los motores hidráulicos

·       El hecho de que el alternador no requiere cumplir con estándares de confiabilidad muy elevados, ya que en tierra es fácil de supervisar y mantener.

·       La reducción de costos de mantenimiento predictivo y correctivo.

Conclusiones

El presente trabajo plantea una realización alternativa para los aerogeneradores, basada en no instalar el alternador eléctrico en la góndola sino en tierra, efectuando la transformación de velocidades de rotación y la transferencia de potencia mecánica al suelo por medio de sistemas hidráulicos.

La idea se ha comparado con un sistema comercialmente disponible, encontrándose que no sólo es factible sino que presenta un número de ventajas.

Es de esperar que esta idea aliente la realización de estudios de factibilidad más rigurosos ya que en principio incrementa la viabilidad en términos económicos de los generadores eólicos.