Diseño de turbinas eólicas

Diseño de turbinas eólicas: Criterios de diseño mecánico

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 handesarrollado 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 torreoscila 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 rotacióntal 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 loscomponentes 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.

Diseñode turbinas eólicas: Consideraciones básicas de carga

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Molino de viento de bombeo de agua, sur de Australia,
Fotografía Søren Krohn
© 1997 DWIA
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)
Los aerogeneradores estánconstruidos 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, estaránsujetas a fuerzas muy grandes, cuando el viento sopla a una velocidad de huracán (recuerde que el contenido energético del viento varía con la tercerapotencia -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 limitarla 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.
Los aerogeneradores están construidos para atrapar la energía cinética (de movimiento) del viento. Así pues, sepreguntará 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...