GEAR LESS
Sin engranajes. Eso significa el concepto de un aerogenerador cuya multiplicación ha sido eliminada, acoplándose en forma directa la hélice con el alternador.
En la foto de la izquierda se aprecia nuestro WW 24 con caja en baño de aceite.
Obsérvese el eje de entrada, soporte de la hélice, mantenido en su posición a través de dos cojinetes autoalineables. A continuación un manchón de acoplamiento elástico de considerables dimensiones por tratarse de bajas rpm; mas atrás una caja multiplicadora de relación 1:6,25 conteniendo en su interior 4 engranajes, un eje piñón, seis rodamientos, retenes, etc y fuera de ella otro nuevo acoplamiento elástico que lo vincula al motor eléctrico que oficia de alternador autoexcitado.
Tres litros de aceite en el interior de la caja y una advertencia sobre el control periódico de nivel del mismo . Veamos la foto de la derecha, nuestro gear less a imán permanente de la misma potencia que el sistema mecánico anterior, compuesto de un soporte con dos cojinetes similares en capacidad a los dos de entrada de la caja, un rotor en voladizo con 26 polos de imanes cerámicos que permite generar alterna de 50 Hz a 230 rpm . exento de elementos mecánicos adicionales a los dos cojinetes ya comentados.
Aerogenerador convencional
La velocidad tangencial del extremo de la pala de los aerogeneradores (tip speed) asume un valor máximo constante entre los 50 a 80 metros por segundo.Tal cual lo expresado en nuestra charla de pg 91 CD1, que aconsejamos repasar, son entre 180 a 288 Km/hora, nada despreciable pero que no debe confundirse con el numero de revoluciones de las palas, tan bajo en los Aerogeneradores grandes que pueden muy bien contarse sin acudir a ningún tipo de instrumento. Del orden de 1 vuelta cada dos segundos o similar. Veamos un poco el aspecto teórico. Siendo v ( m/seg), la velocidad tangencial del extremo de la pala , ω (1/seg ) la velocidad angular de las palas, n el numero de rpm, R (m) el radio de la pala y Φ (m) el diámetro de la hélice, resulta,
V = ω x R = 2 π n R/60 y n = 60 v/2 π R = 60 v/ π Φ
Si tomamos v= 62,8 m/seg ( entre 50 a 80 habíamos dicho) para redondear y no olvidarnos mas de la fórmula, tenemos:
n = 1200/ Φ
Las curvas de la figura adjunta determinan los valores de las rpm en función del diámetro para 40, 60 y 80 m/seg de velocidad tangencial.
Recuérdese que en los aerogeneradores acoplados la velocidad en rpm, y por lo tanto la tangencial es fija , impuesta por la frecuencia de la red (condiciones de acoplamiento, pag 83 CD 3). Sin embargo los alternadores, o sea el mecanismo de transformación del movimiento mecánico en eléctrico, tienen velocidades muy superiores a las resultantes de este enfoque, razón por la cual es necesaria una multiplicación muy importante para alcanzarla.
Tomemos como ejemplo una maquina conocida , los aerogeneradores Micon 600 instalados en Tandil.
El diámetro de la hélice tiene 31 metros y posee un alternador de 2 y 3 pares de polos con una velocidad sincrónica para los 50 Hz de la red de 1000 y 1500 rpm . Gira a 35,7 rpm con vientos de alta velocidad, con el bobinado de 1500 rpm, lo que da como velocidad tangencial del extremo de la pala 57,9 m/seg. Para 1000 rpm del motor la hélice gira a 23,8 rpm. La relación de la caja multiplicadora resulta ser , entonces, R = 42.
Llegar desde la velocidad de las palas hasta la de acoplamiento implica la interposición de una caja multiplicadora de relación 1: 42 cuya potencia esta en relación directa con la del alternador. La construcción y el diseño de estas cajas es de fundamental importancia, ya que como se ha visto en las charlas de aerodinámica de los perfiles , pag 32 CD2, la fuerza de arranque que tiene una hélice de paso fijo es tan insignificante que cualquier esfuerzo adicional impedirá que pueda embalarse aun con vientos de cierta energía.
El par de arranque de una hélice stall control , entonces, es muy bajo, y por ende el rendimiento de la caja debe ser excelente, característica que obliga por ejemplo a afeitar los engranajes, proceso mas preciso aun que el rectificado. A mayor precisión mas costo, es decir que la caja no es precisamente barata. Por otra parte tiene, aunque muy bueno, un rendimiento y por lo tanto perdidas de energia que no llegarán a transformarse en electricidad, objetivo primordial del aero.
Obsérvese en la foto que el aceite circulante esta enfriado por un radiador a efectos de mantener la viscosidad del mismo. Por otra parte llegar a los 42 de relación implica varias etapas de multiplicación, entre 2 a 3 como mínimo, 4 a 6 engranajes y de 8 a 10
rodamientos todos mecanismos sujetos a desgaste, propensos a mantenimiento. Eliminar la caja multiplicadora a sido el propósito del gear less.
¿ Como se logra el reemplazo de la caja tradicional? Trataremos de explicarlo. Un motor de alterna puede tener distintas velocidades dependiendo del numero de polos de su bobinado. Un par de polos funciona a 2850 rpm, es decir alrededor de un 4% menos que la frecuencia de la red que es 3000 ciclos por minuto o también 50 por segundo ( 50 Hertz). Dos pares a 1440, 3 pares a 960, 4 pares a 720,...., 10 pares a 280, etc. El ejemplo familiar son los ventiladores de techo cuyas rpm son solo del orden de cientos de rpm y no miles como los son los de los lavarropas , heladeras etc. Vimos que los alternadores de un moderno sistema de generación, ya sea que se trate de un sistema acoplado como un autónomo, está constituido por un simple motor de inducción, asincrónico o jaula de ardilla ( ver sistemas acoplados )
De esta forma un motor de dos pares de polos girando a 1560 rpm (4% mas que la sincrónica) generara la corriente nominal sobre la línea de servicio publico y como autónomo, autoexitado capacitivamente, una tensión de 50 Hz
Sin embargo, si la energia del viento es suficiente como para embalarse aun mas en este último caso aumentara su velocidad y por ende la frecuencia de la tensión generada que puede llegar a 90 o mas Hz; por supuesto también superando la potencia nominal por cuanto la velocidad de su ventilador, sumada a la energia del viento que contribuye al enfriamiento mantienen la temperatura de la carcaza por debajo de la temperatura que soporta la aislación. Si el alternador es acoplado y su energía se acopla directamente a la línea, como lo hacen casi el total de los aero grid connection, la velocidad esta impuesta por la frecuencia de la misma , 3000 rpm para 50 Hz y 3600 para 60Hz. Dicho de otra forma, el diámetro de las palas, la velocidad tangencial de las mismas (tip speed) y las rpm del alternador fijan rigurosamente la relación de la caja multiplicadora. En cambio en un aerogenerador autónomo la frecuencia no esta impuesta y en ese caso existe cierta libertad entre la misma y como consecuencia en la selección de la relación de la caja. Sin embargo , la excepción de la regla y ejemplo del sistema gear less es el Enercon 40 que fue lanzado como prototipo hace una década, en 1993, hoy día acompañado por una serie de fabricación que incluye modelos como el E30 ,E58, E 66, E 112 .En nuestro país, en la Municipalidad de Pico Truncado, desde febrero del 2001 existen dos unidades fabricadas en Brasil bajo licencia Alemana. Las características principales son 44 m de diámetro, 600 Kw de potencia y para tener idea de las dimensiones de su alternador, en especial su diámetro digamos que estimativamente ronda en los 3,5 metros por 0,50 de ancho. Aunque su precio es superior en un 25 a 30 % de los convencionales , son considerados los Roll Royce de los Aerogeneradores .
A diferencia de todo el resto de los grid connection, acoplados a la línea, genera con frecuencia variable, rectifica la tensión y luego, merced a un inversor estático la convierte adaptándola a la de la linea, 50 o 60 Hz. La velocidad del rotor varia entonces entre 18 a 34 rpm, solamente una revolución cada 2 o 3 segundos, y la velocidad del extremo de las palas asume valores entre los 41 a 78 m/s. No tiene caja y como es obvio debe alcanzar la proximidad de los 3000 ciclos correspondientes a una tensión de servicio de 50Hz (3600 para 60Hz ) simplemente en base a números de polos, que deberán ser entre 88 a 188. Si el gear less tiene una gran cantidad de polos , digamos 20 o mas ,la frecuencia que generará cuando se autoexcite será de 50 Hz a 150 rpm o menos . Pero también a 75 rpm con 20 pares de polos generará sin problemas de importancia a 25 Hz , ó a 300 rpm con 100 Hz. Tanto en un autónomo que obligatoriamente deberá rectificar la tensión con el objeto de ser acumulada, como en el acoplado o grid connection que también rectificará la tensión y se acoplará a través de un inversor estático a la línea de servicio publico, esto no tiene importancia.
El avance tecnológico en el area de la electrónica como así también en los procesos de fabricación de los triacs y tiristores de potencia hoy día competitivos como substitutos de dispositivos mecánicos ha permitido a los alternadores generar con formas de onda no sinusoidales, o frecuencias bastardas imposible de ser usadas en los sistema acoplados, rectificarlas y nuevamente convertir en alterna pero electrónicamente y recién incorporar a la línea. Es decir la entrada en paralelo se efectúa entre el inversor estático y la línea , permitiendo además otra ventaja que es la de tener velocidad variable y por ende mejor eficiencia del aerogenerador que es capaz de funcionar sin escalones desde baja frecuencia de generación hasta mas del doble, tal cual ocurre con el mencionado E40 entre las 18 a 34 rpm .
El responsable de mantener la frecuencia del servicio no es el aerogenerador que en estas condiciones está libre de girar adaptando su velocidad a la velocidad del viento en cada instante, algo parecido a lo que ocurre con el sistema pitch control del cual ya hemos hablado ( pag 62, CD1, *regulacion de velocidad y pag 29 CD2 *el significado de L/C) pero en este caso sin modificar el paso de la hélice sino aumentando o bajando sus rpm en forma natural, evitando la imposición de los 50 Hz obligados de la red.
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