Sistema de guiñada

Los sistemas de guiñada activa están equipados con algún tipo de dispositivo generador de par capaz de hacer girar la góndola de la turbina eólica contra la torre fija basándose en señales automáticas de sensores de dirección del viento o accionamiento manual (anulación del sistema de control). Los sistemas de guiñada activa se consideran la tecnología de punta para todas las turbinas eólicas modernas de tamaño mediano y grande, con algunas excepciones que confirman la regla (por ejemplo, Vergnet ). Los diversos componentes de los sistemas de guiñada activa modernos varían según las características de diseño, pero todos los sistemas de guiñada activa incluyen un medio de conexión giratoria entre la góndola y la torre ( cojinete de guiñada ), un medio de variación activa de la orientación del rotor (es decir, accionamiento de guiñada ), un medio para restringir la rotación de la góndola (freno de guiñada) y un sistema de control que procesa las señales de los sensores de dirección del viento (por ejemplo, veletas ) y da las órdenes adecuadas a los mecanismos de actuación.

Los tipos más comunes de sistemas de guiñada activa son:

• Rodamiento de guiñada - Accionamiento eléctrico de guiñada - Freno: La góndola se monta sobre un rodamiento de rodillos y la rotación azimutal se logra mediante varios accionamientos eléctricos potentes . Un freno hidráulico o eléctrico fija la posición de la góndola una vez completada la reorientación para evitar el desgaste y las altas cargas de fatiga en los componentes de la turbina eólica debido al juego mecánico . La mayoría de los fabricantes de turbinas eólicas utilizan sistemas de este tipo, considerados fiables y eficaces, aunque también bastante voluminosos y costosos.
• Rodamiento de guiñada de rodillos - Accionamiento hidráulico de guiñada : La góndola está montada sobre un rodamiento de rodillos y la rotación azimutal se logra mediante varios motores hidráulicos potentes o cilindros hidráulicos de trinquete . La ventaja del sistema de guiñada con accionamiento hidráulico radica en las ventajas inherentes de los sistemas hidráulicos, como la alta relación potencia-peso y la alta fiabilidad . Sin embargo, como desventaja, los sistemas hidráulicos suelen presentar fugas de fluido hidráulico y obstrucción de sus válvulas hidráulicas de alta presión . Los sistemas de guiñada hidráulicos a menudo (dependiendo del diseño del sistema) también permiten la eliminación del mecanismo de freno de guiñada y su sustitución por válvulas de corte .
• Cojinete de guiñada deslizante - Accionamiento eléctrico de guiñada : La góndola se monta sobre un cojinete deslizante de fricción y la rotación azimutal se logra mediante varios potentes accionamientos eléctricos . Se elimina la necesidad de un freno de guiñada y, según el tamaño del sistema de guiñada (es decir, el tamaño de la turbina eólica), el concepto de cojinete deslizante puede generar importantes ahorros de costes.
• Cojinete de guiñada deslizante - Accionamiento hidráulico de guiñada : La góndola está montada sobre un cojinete deslizante por fricción y la rotación azimutal se logra mediante varios motores hidráulicos potentes o cilindros hidráulicos de trinquete . Este sistema combina las características de los sistemas de cojinete deslizante y motor hidráulico mencionados anteriormente .

Los sistemas de guiñada pasiva utilizan la fuerza del viento para ajustar la orientación del rotor de la turbina eólica hacia el viento. En su forma más simple, estos sistemas constan de una conexión de rodamiento simple entre la torre y la góndola, y una aleta de cola montada en la góndola y diseñada de tal manera que gira el rotor de la turbina eólica hacia el viento ejerciendo un par "correctivo" sobre la góndola. Por lo tanto, la fuerza del viento es responsable de la rotación del rotor y la orientación de la góndola. En el caso de turbinas a sotavento, la aleta de cola no es necesaria, ya que el propio rotor es capaz de orientar la góndola hacia el viento. En caso de vientos oblicuos, la "presión del viento" sobre el área barrida provoca un momento de guiñada alrededor del eje de la torre (eje z) que orienta el rotor. ^{[ 1 ]}

La aleta de cola (o veleta) se usa comúnmente en aerogeneradores pequeños, ya que ofrece una solución económica y fiable. Sin embargo, no puede soportar los altos momentos necesarios para orientar la góndola de un aerogenerador grande. La autoorientación de los rotores de la turbina a sotavento es un concepto que funciona incluso en aerogeneradores de mayor tamaño. El fabricante francés de aerogeneradores Vergnet tiene en producción varios aerogeneradores de sotavento con autoorientación, tanto medianos como grandes.

Los sistemas de guiñada pasivos deben diseñarse de manera que la góndola no responda a los cambios bruscos de dirección del viento con un movimiento de guiñada demasiado rápido, para evitar cargas giroscópicas elevadas . Además, los sistemas de guiñada pasivos con baja fricción de guiñada están sometidos a fuertes cargas dinámicas debido a la guiñada periódica de baja amplitud causada por la variación del momento de inercia durante la rotación del rotor. Este efecto se agrava al reducirse el número de palas.

Los sistemas de guiñada pasivos más comunes son:

• Rodamiento de rodillos (sistema libre): La góndola está montada sobre un rodamiento de rodillos y puede girar libremente en cualquier dirección. El momento necesario proviene de una aleta de cola o del rotor (turbinas eólicas de sotavento).
• Rodamiento de rodillos - Freno (sistema semiactivo): La góndola está montada sobre un rodamiento de rodillos y puede girar libremente en cualquier dirección, pero cuando se alcanza la orientación necesaria, un freno de guiñada activo detiene la góndola . Esto evita vibraciones incontroladas y reduce las cargas giroscópicas y de fatiga .
• Cojinete deslizante/freno (sistema pasivo): La góndola está montada sobre un cojinete deslizante y puede girar libremente en cualquier dirección. La fricción inherente del cojinete deslizante permite un funcionamiento prácticamente activo.

Uno de los componentes principales del sistema de guiñada es el cojinete de guiñada . El sistema de cojinete de guiñada alinea las palas con el viento. Consta del engranaje anular, el motor de guiñada y los conjuntos de sujeción del cojinete de guiñada. ^{[ 2 ]}

El cojinete de guiñada puede ser de rodillos o deslizante y sirve como conexión giratoria entre la torre y la góndola de la turbina eólica. Este cojinete debe ser capaz de soportar cargas muy elevadas, que además del peso de la góndola y el rotor (que ronda las décimas de tonelada ) incluyen también los momentos flectores generados por el rotor durante la extracción de la energía cinética del viento.

Los actuadores de guiñada existen únicamente en los sistemas de guiñada activa y son el medio para la rotación activa de la góndola de la turbina eólica . Cada actuador de guiñada consta de un potente motor eléctrico (generalmente de CA ) con su accionamiento eléctrico y una gran caja de engranajes , que aumenta el par . El par estático máximo de los actuadores de guiñada más grandes está en el rango de 200 000 Nm con relaciones de reducción de la caja de engranajes en el rango de 2000:1. ^{[ 3 ]} En consecuencia, la guiñada de las grandes turbinas modernas es relativamente lenta, con un giro de 360° que dura varios minutos.

Para estabilizar el cojinete de guiñada y evitar la rotación, es necesario un sistema de frenado. Una de las formas más sencillas de lograrlo consiste en aplicar un pequeño par de torsión contrario constante a los accionamientos de guiñada para eliminar la holgura entre el engranaje y los piñones del accionamiento de guiñada , y así evitar que la góndola oscile debido a la rotación del rotor. Sin embargo, esta operación reduce considerablemente la fiabilidad de los accionamientos eléctricos de guiñada ; por lo tanto, la solución más común es la implementación de un freno de disco accionado hidráulicamente .

El freno de disco requiere un disco de freno plano y circular , así como varias pinzas de freno con pistones hidráulicos y pastillas de freno.Archivado el 19/06/2009 en Wayback Machine . Los frenos hidráulicos de guiñada permiten fijar la góndola en su posición, liberando así a los sistemas de guiñada de esa tarea. Sin embargo, el coste del freno de guiñada, junto con la necesidad de una instalación hidráulica ( bomba , válvulas , pistones ) y su ubicación cerca de pastillas de freno sensibles a la contaminación por lubricante , suele ser un problema.

Una solución de compromiso que ofrece varias ventajas es el uso de frenos de guiñada eléctricos. Estos reemplazan el mecanismo hidráulico de los frenos convencionales con pinzas de freno de accionamiento electromecánico. El uso de frenos de guiñada eléctricos elimina la complejidad de las fugas hidráulicas y los problemas subsiguientes que estas causan en el funcionamiento del freno de guiñada. ^{[ 4 ]}

Varias empresas de diseño y fabricación de turbinas eólicas experimentan con métodos alternativos de frenado de guiñada para eliminar las desventajas de los sistemas existentes y reducir el coste del sistema. Una de estas alternativas implica el uso de presión de aire para lograr el momento de frenado de guiñada necesario. En este caso, se utiliza parte de la superficie de deslizamiento (generalmente la axial, debido a su mayor superficie disponible) para alojar las pastillas de freno de guiñada y el mecanismo de freno neumático. El actuador neumático puede ser un cilindro neumático convencional o incluso una cámara de aire flexible que se infla al recibir aire a presión. Este dispositivo es capaz de ejercer fuerzas de frenado muy elevadas debido a su gran superficie activa. Esto se logra con un sencillo sistema de compresión de presión de aire industrial ( 6-10 bar o 600-1000 kPa o 87-145 psi ), lo que constituye una solución fiable y de bajo coste. Además, en caso de fuga, el impacto ambiental es prácticamente nulo en comparación con las fugas de aceite hidráulico. Finalmente, los actuadores de freno se pueden fabricar a muy bajo coste con materiales plásticos ligeros, lo que reduce significativamente el coste total del sistema.   

La aleta de guiñada (o aleta de cola) es un componente del sistema de guiñada que se utiliza únicamente en aerogeneradores pequeños con mecanismos de guiñada pasivos. No es más que una superficie plana montada en la góndola mediante una viga larga . La combinación de la gran superficie de la aleta y la mayor longitud de la viga genera un par considerable capaz de hacer girar la góndola a pesar de los efectos giroscópicos estabilizadores del rotor. Sin embargo, la superficie necesaria para que una aleta de cola pueda guiar un aerogenerador grande es enorme, lo que hace que el uso de este dispositivo no sea económico.