Molino
de viento de bombeo de agua, sur de Australia, Fotografía
© 1997 Søren Krohn
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Diseño
de aerogeneradores: consideraciones básicas de carga
Cuando se construyen aerogeneradores o helicópteros, deben
tenerse en cuenta la resistencia, el comportamiento dinámico
y las propiedades de fatiga de los materiales y de todo el conjunto.
Cargas
extremas (fuerzas)
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Comodoro
Rivadavia, Argentina (aerogenerador NEG Micon 750 kW)
Fotografía
© 1998 Søren Krohn |
Los
aerogeneradores están construidos para atrapar la energía
cinética (de movimiento) del viento. Así pues,
se preguntará porqué los modernos aerogeneradores
no se construyen con un gran número de palas del rotor,
como en los viejos molinos de viento "americanos" que
ha visto en la películas del Oeste.
Sin embargo, las turbinas con muchas
palas o con palas muy anchas, esto es, turbinas con un
rotor muy sólido, estarán sujetas a fuerzas
muy grandes, cuando el viento sopla a una velocidad de huracán
(recuerde que el contenido energético
del viento varía con la tercera potencia
-el cubo- de la velocidad del viento).
Los fabricantes de aerogeneradores deben
certificar sus turbinas, garantizando que una vez cada 50 años
pueden soportar vientos extremos de unos 10 minutos de duración.
Por lo tanto, para limitar la influencia
de los vientos extremos, los fabricantes de turbinas optan por
construir turbinas con pocas palas, largas y estrechas.
Para compensar la estrechez de las palas de cara al viento, los
fabricantes de turbinas prefieren dejar que las turbinas giren
relativamente rápidas.
Cargas de
fatiga (fuerzas)
Las aerogeneradores están sujetos a vientos
fluctuantes y, por tanto, a fuerzas fluctuantes. Esto se
da particularmente en el caso de estar emplazados en un clima
eólico muy turbulento.
Los componentes sujetos a una flexión
repetida pueden desarrollar grietas, que en última instancia
pueden provocar la rotura del componente. Un ejemplo de esto
es la enorme máquina alemana Growian (100 m de diámetro
de rotor), que tuvo que ponerse fuera de servicio en menos de
3 semanas de funcionamiento. La fatiga del metal es un
problema bien conocido en muchas industrias. Así pues,
generalmente el metal no se elige como material para las palas
del rotor.
En el diseño de una turbina eólica,
es muy importante calcular por anticipado como vibrarán
los diferentes componentes, tanto individualmente como en conjunto.
También es importante calcular las fuerzas que participan
en cada flexión y estiramiento de un componente.
De esto se ocupa la dinámica estructural,
donde los físicos han desarrollado modelos matemáticos
de ordenador que analizan el comportamiento de toda la turbina
eólica.
Estos modelos son utilizados por los fabricantes
de turbinas para diseñar sus máquinas de forma
segura.
Dinámica
estructural: un ejemplo *)
Una torre de aerogenerador de 50 m de alta tendrá tendencia
a oscilar de una lado a otro cada 3 segundos, aproximadamente.
La frecuencia a la que la torre oscila de un lado al otro se
denomina frecuencia propia de la torre. La frecuencia
propia depende de la altura de la torre, el espesor de la pared
de la torre, el tipo de acero y del peso de la góndola
y el rotor.
Ahora bien, cada vez que la pala del rotor
pasa por el abrigo de la torre, el rotor se verá un poco
menos empujado contra la torre.
Si el rotor gira con una velocidad de rotación
tal que una pala pasa la torre cada vez que la torre está
en una de sus posiciones extremas, entonces la pala del rotor
puede bien amortiguar o amplificar (reforzar) las oscilaciones
de la torre.
Las propias palas del rotor son también
flexibles y pueden tener tendencia a vibrar, digamos, una vez
por segundo. Como puede ver, es muy importante conocer las frecuencias
propias de todos los componentes para diseñar una turbina
segura, que no oscile fuera de control.
*) Un ejemplo muy espectacular de las fuerzas
de dinámica estructural trabajando bajo la influencia
del viento (oscilaciones de torsión subamortiguadas) es
el famoso derrumbamiento de puente de Tacoma (cerca de Seattle,
en los Estados Unidos). Puede encontrar un breve videoclip
(700 K) sobre el desastre en Internet.
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