El problema mayor de las palas de un aerogenerador es la rotura por embalamiento de la hélice provocado o bien por la velocidad excesiva del viento o por la falta de reacción del alternador tema que ya hemos analizado con anterioridad. Los cambios bruscos de dirección o velocidad del viento atentan contra la respuesta de los sistemas de control a menudo ineficaces ante estas circunstancias que aunque no muy frecuentes basta que se presenten una única vez para producir el colapso de las palas.
En general cuando un aerogenerador posee un frenado manual y el fabricante advierte que “la unidad debe ser frenada cuando la velocidad del viento sea grande”, eximiéndose de toda responsabilidad ante las roturas de las palas originadas por la falta de cumplimiento de esa advertencia, esta reconociendo que el sistema de control es ineficaz. Se entiende que el responsable de la operación no tiene ninguna posibilidad de efectuar un control permanente ni tampoco posee los instrumentos adecuados para tomar la decisión de cuando debe ser frenado y aun teniéndolos, recién el anemómetro detecta una velocidad de rotura cuando el colapso se produjo. En otras palabras, para que el mecanismo de control de frenado sea realmente efectivo la operación debe ser totalmente automática y además capaz de absorber la potencia, a menudo catastrófica, de la energia eólica puesta en juego. Recordemos que la potencia del viento es proporcional al cubo de la velocidad del mismo ( *energía de los fluidos en movimiento, CD2), con lo cual, un viento huracanado de, por ejemplo, 100 Km /hora presente pocas veces al año y por solo algunos instantes, solo ráfagas, tiene una energia mil veces superior a uno de 10 Km/hora u 8 veces superior a uno de 50 Km/hora. Resulta imposible contrarrestar semejante energia por medios mecánicos o electromecánicos como se pretende en algunos modelos que ya demostraron fehacientemente su ineficacia. El control debe ser aerodinámico con algunas salvedades como hemos visto. Dentro de esos mecanismos se encuentra el cambio de posición del plano de giro de la hélice respecto de la dirección del viento ( ver *regulación de velocidad,CD1), que al colocarse en forma automática a 90 grados reduce a cero la superficie expuesta y por lo tanto deja de girar hasta que se reponga la posición frontal. El mecanismo mencionado es el utilizado en los aerogeneradores grandes pero el funcionamiento es totalmente automático ya que una señal (tubo Pitot) es enviada a la computadora y el mecanismo de giro lo pone inmediatamente en bandera hasta que la situación se normalice. La inercia mecánica de estas unidades, cuyos pesos totales de las piezas sometidas a rotación, llamadas técnicamente el GD cuadrado, que incluye la hélice, los engranajes, manchones y rotor del alternador es tan elevada que da tiempo al sistema de giro a colocarlo en bandera antes de que se produzca el aumento de velocidad catastrófico. En aerogeneradores pequeños también es utilizado cambiándose el plano de giro o bien horizontalmente o también en forma lateral. Sin embargo este mecanismo tiene limitaciones ya que la influencia del efecto giroscópico comienza a ser fundamental para hélices cuyas dimensiones, tanto geométricas como en su peso, impide una reacción lo suficientemente rápida del cambio de plano de giro cuando las ráfagas son súbitas y violentas y la inercia giroscópica impide el cambio de dirección. La limitación de este sistema depende de las dimensiones físicas de la hélice, del material, etc. pero a grandes rasgos se puede afirmar que no va más allá de 2 a 3 metros de diámetro. En otras palabras el sistema de control de rpm por cambio de plano de giro es el resultado de un delicado equilibrio entre la inercia de las partes sometidas a rotación ( GD2) y el efecto giroscópico, resultado de un balance entre el peso de los materiales y el diámetro de las palas . Para quienes no alcanzan a comprender el efecto giroscópico destinemos un párrafo mencionando la aplicación del mismo en algunas motocicletas que a pesar de su equilibrio inestable derivado de la falta de un tercer punto de apoyo en el suelo ( tercera rueda) , pueden mantenerse verticales el tiempo suficiente como para permitir el cambio de luz en los semáforos. Mas sencillo aun un trompo que mantiene su plano de giro a pesar de estar apoyado en un solo punto: a mayor velocidad mayor estabilidad. Para evitar este problema en hélices de mayor tamaño la limitación de velocidad no debe estar condicionada con el cambio de plano de giro. Entre los sistemas tradicionales se encuentra el Windcharger que mantiene el paso de las palas fijo pero que, venciendo un sistema de resortes abre unas chicanas que frenan aerodinámicamente las palas manteniendo el plano de giro. Aerowatt también frena por perdida aerodinámica pero cambiando el paso de la hélice. De la misma forma nuestro sistema posee un alerón por cada pala que como consecuencia de la fuerza centrífuga vence un resorte y se desplaza hacia afuera al mismo tiempo que gira ayudado por una rosca trapezoidal perdiendo rendimiento y manteniendo su velocidad de giro constante, independientemente de la carga, de la inercia giroscópica o de la velocidad del viento y con una respuesta inmediata, condición necesaria para que la limitación sea efectiva. Los tres sistemas mencionados, Aerowat, Windcharger o Windy West actúan de esa forma.
Análisis de fuerza centrífuga y su equilibrio resistente
Llamemos en adelante dFc a la fuerza centrifuga originada en una varilla de un material determinado de resistencia a la tracción σ sujeta a girar a una velocidad de rotación ω
en donde dm es la masa infinitesimal correspondiente al dR, la sección S de la varilla y el peso especifico ρ del material de la misma
con lo cual y la fuerza centrifuga total será la integral
Usando el sistema métrico mks la velocidad será expresada en metros sobre segundos cuando la resistencia sea en Kg./ m2, el peso especifico de la varilla en Kg. / m3 y la aceleración de la gravedad en metros sobre segundo al cuadrado
De la formula anterior se desprende que la velocidad de colapso de la pala depende de la raíz cuadrada de la relación entre la tensión de rotura del material y el peso especifico del mismo e inversamente con la raíz cuadrada de la relación del logaritmo natural, base e, del radio exterior de la varilla frente al radio elegido para el calculo. Con esas consideraciones, es fácil ver que los materiales mas aptos para la fabricación de una pala son los plásticos reforzados comenzando por el poliéster con fibra de vidrio, seguido por la fibra de carbono con esa misma resina o con epóxica y la máxima relación con resina epóxica y Kevlar
Análisis relativo de la influencia de los términos.
Una pala de helicóptero esta fabricada con una aleación de aluminio A 2024 o A7075 cuyo peso especifico es alrededor de 2,8 y cuya resistencia es entre 50 a 58 Kg/mm2.
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Ing. Enrique O.Nielsen
http://www.windywest.com.ar/
windywest@ssdnet.com.ar
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