Los aerogeneradores de energía eólica: cómo son y cómo funcionan

Los aerogeneradores en la energía eólica

La energía del viento es aprovechada mediante el uso de máquinas eólicas (o aeromotores) capaces de transformar la energía eólica en energía mecánica de rotación utilizable, ya sea para accionar directamente las máquinas operatrices (molinos), o para la producción de energía eléctrica. En este último caso, el sistema de conversión es conocido como aerogenerador.

Instalados en áreas con fuertes vientos, estos equipos desarrollan más de 100 kilovatios. El aerogenerador comprende un generador eléctrico y unos sistemas de control y de conexión a la red.

La baja densidad de energía eólica por unidad de superficie, implica la necesidad de proceder a la instalación de un número mayor de máquinas para el aprovechamiento de los recursos disponibles. Para que su instalación resulte rentable, suelen agruparse en concentraciones denominadas parques eólicos. Los parques eólicos están compuestos por varios aerogeneradores implantados en el territorio conectados a una única línea que los conecta a la red eléctrica nacional o regional.

En estos parques, la energía eólica mueve una hélice y mediante un sistema mecánico se hace girar el rotor de un generador, normalmente un alternador, que produce energía eléctrica. En la actualidad, existen muchas plantas de energía eólica, especialmente en áreas expuestas a vientos frecuentes, como zonas costeras, alturas montañosas o islas.

Los componentes de un aerogenerador de energía eólica

Actualmente, se continúa desarrollando mejores tecnologías que permitan aumentar el rendimiento de los aerogeneradores. Aun así podemos decir de forma general que un aerogenerador consta de los siguientes componentes:

El rotor

El rotor está formado por las palas y el buje. Cuando el viento incide sobre las palas, éste provoca un movimiento rotacional que se transfiere al buje. El buje está acoplado al eje de baja velocidad del aerogenerador y le, transmite la potencia del movimiento.

La góndola

La góndola es una estructura que contiene en su interior un eje de baja velocidad, el multiplicador, el eje de alta velocidad, el generador de corriente, la unidad de refrigeración, el controlador electrónico, el freno, el anemómetro y la veleta.

El movimiento del eje de baja velocidad es amplificado mediante la caja de engranajes, también conocida como multiplicador. El multiplicador aumenta la velocidad de rotación del rotor unas 50 veces. La consecuencia es que la velocidad de rotación que recibe el generador a través del correspondiente eje alcance unas 1.500 rpm.

En el generador se convierte la energía mecánica en energía eléctrica. Su potencia varía en función de las características técnicas del aerogenerador.

La unidad de refrigeración contiene un ventilador que se emplea para enfriar el generador eléctrico. Incluye una unidad refrigerante por aceite empleada para enfriar el aceite del multiplicador. Algunas turbinas tienen generadores refrigerados por agua.

El controlador electrónico es un ordenador que analiza en continuo las condiciones del aerogenerador y controla el mecanismo de orientación. En caso de cualquier anomalía detiene automáticamente el aerogenerador y envía una señal al ordenador del operario encargado de su mantenimiento.

El anemómetro y la veleta son instrumentos de medición del viento necesarios para la monitorización del controlador del aerogenerador. Así alcanzamos la orientación óptima, y por tanto, la orientación con mayor rendimiento.

El controlador electrónico conecta el aerogenerador cuando el viento alcanza aproximadamente una velocidad de 5 m/s, y lo parará cuando esta velocidad supera los 25 m/s. El motivo es proteger a la turbina y al resto de equipos mecánicos.

Las señales de la veleta son utilizadas por el controlador electrónico para girar el aerogenerador en contra del viento, utilizando el mecanismo de orientación. El eje de alta velocidad está equipado de un freno de disco mecánico de emergencia, utilizado en caso de fallo del freno aerodinámico, o durante las labores de mantenimiento de la turbina.

La torre

La misión de la torre es sostener la góndola y el rotor. Se inserta en el terreno mediante una zapata de cimentación armada. La altura de la torre está relacionada con la cantidad de energía generada por el aerogenerador. Posteriormente un transformador aumentará la tensión eléctrica para ser transportada a la red eléctrica.

Los aerogeneradores de energía eólica sobre el mar

El aerogenerador de energía eólica se basa en el mismo principio básico, que el aerogenerador de energía eólica terrestre. Por lo tanto, se trata de un dispositivo diseñado para lograr la conversión de la energía cinética del viento en energía mecánica a través de las palas del rotor. Estas palas están diseñadas aerodinámicamente para capturar la máxima cantidad de energía del viento. La gran ventaja es que mar adentro los vientos son más fuertes. Mientras que el inconveniente es la accesibilidad y la estabilidad del aerogenerador y el resto de equipos necesarios para producir la energía eólica.

La colocación de los aerogeneradores de energía eólica sobre el mar

Existen diversos métodos para instalar los aerogeneradores de energía eólica dentro del mar. Cada método tiene sus propias ventajas y desafíos. La elección del método adecuado depende de factores como la profundidad del agua, las condiciones del lecho marino, la distancia a la costa y las consideraciones económicas y logísticas. Es necesario realizar un análisis detallado del sitio y evaluar cuidadosamente las opciones disponibles antes de seleccionar el método de instalación más apropiado para un proyecto específico.

Los principales métodos de instalación son:

Plataformas fijas

Se instalan en el lecho marino mediante pilotes o cimentaciones de hormigón.  Son adecuadas para aguas poco profundas hasta aproximadamente 50 metros de profundidad. Requieren un terreno estable y adecuado para la instalación.

Plataformas flotantes

Se anclan al lecho marino mediante sistemas de fijación. Son ideales para aguas profundas donde las plataformas fijas no son viables. Permiten la instalación de aerogeneradores en ubicaciones más alejadas de la costa.

Grúas flotantes

Utilizan grúas montadas en barcazas para levantar los componentes del aerogenerador e instalarlos en la plataforma flotante. Requieren condiciones climáticas favorables para realizar las operaciones de instalación de manera segura.

Instalación por jack-up

Utilizan barcos equipados con patas telescópicas (jack-up) que se despliegan hasta el lecho marino para proporcionar una plataforma estable para la instalación. Son adecuados para aguas poco profundas y condiciones marinas moderadas.

Remolque y fijación

Los componentes del aerogenerador se transportan en barcos hasta la ubicación final y se fijan al lecho marino mediante sistemas de anclaje o cimentaciones especiales. Requiere una cuidadosa planificación logística y condiciones marinas favorables para garantizar una instalación segura y precisa.

Un ejemplo en el mar del norte

Frente a la bahía de Ostende nos encontramos el molino de viento marino mayor del mundo. Este molino de mar desafía las dificultades que plantea toda construcción dentro del agua.

El Haliade 150, de Alstom, se eleva más de 100 metros sobre la superficie del mar y está situado a 45 kilómetros de la costa. Está ubicado en el parque eólico de Belwind. Se llama así porque el diámetro de su rotor mide 150 metros. Cada una de las tres palas alcanza los 73,5 metros de radio. Desarrolla seis megavatios de potencia.

Este modelo podrá suministrar energía eléctrica a unas 5.000 viviendas. Si bien aún está en fase experimental este prototipo comprobará el proyecto y los estudios de varios años, dando valores fiables sobre el comportamiento de la máquina en mar abierto.

Es razonable aumentar la altura de los molinos dentro del mar, porque la velocidad del viento aumenta con la altitud. Sin embargo, las condiciones marinas son mucho más difíciles que las terrestres para cualquier máquina. Esto implica que los aerogeneradores sean lo más robustos y simples posible para minimizar el mantenimiento. Para alcanzar dicho objetivo se eligen los materiales y los tratamientos de protección para que resistan el mayor tiempo posible en condiciones idóneas de funcionamiento.

La turbina funciona de forma aislada en medio del ámbito marino. Por esta razón interesa minimizar el número de piezas rotatorias en su interior. Se busca aumentar la fiabilidad. La tendencia futura es utilizar tecnología de transmisión directa entre las palas y un generador de imanes permanentes, eliminando las antiguas cajas de cambio.