Palas

Las palas son el elemento más importante del aerogenerador, ya que son las que captan la energía y el componente que más problemas de diseño presenta. Además representan el mayor coste de la máquina, alrededor del 30 % de la inversión total.

1. Maximizar la energía obtenida mediante un diseño aerodinámico apropiado. 2. Ser capaces, mediante un sistema de control adecuado, de limitar la potencia

máxima a la nominal de la aeroturbina.

3. Evitar fenómenos de resonancia y amplificación excesiva de la carga dinámica. 4. Resistir las cargas extremas.

5. Evitar deflexiones excesivas. Las palas son como vigas empotradas en el buje que están sometidas a un importante momento flector en su base, debido fundamentalmente a la componente de la fuerza de tumbado. Dicha fuerza dobla la punta de la pala hacia sotavento y en caso en que el rotor está situado a barlovento de la torre, se ha llegado a producir el accidente en el que las palas peguen contra la torre.

6. Minimizar peso y coste sin dejar de tener en cuenta los puntos anteriores.

Atendiendo a los parámetros de diseño, los principales factores a tener en consideración en la elección de las palas son:

5.1.3.1 Número de palas

Se pueden encontrar aerogeneradores de una, dos, tres y hasta seis palas. En general, el uso más extendido para la generación de electricidad es de tres palas, ya que un menor número de palas permite mayores velocidades de giro del rotor, y esto permite que tanto el generador como el multiplicador sean de menor peso y tamaño, lo que conllevaría una reducción considerable de costes. La desventaja de conseguir una mayor velocidad de giro en el rotor es que, el ruido producido es proporcional a la velocidad punta de la pala, por lo que no se deben aumentar excesivamente las velocidades de giro.

Aunque el rendimiento aumenta con el número de palas, esta comprobado que a partir de tres palas este incremento es muy pequeño, por lo que no suele ser económicamente rentable añadir una pala más, puesto que un menor número de palas implica la reducción de los costes de fabricación e instalación.

La opción monopala representa ventajas económicas frente a las demás, pero requieren una mayor velocidad de giro para producir la misma energía de salida. Al tener una sola pala, requiere de un contrapeso en el lado del buje opuesto a la pala para evitar una asimetría de cargas, aunque siempre existirá una asimetría en las fuerzas aerodinámicas que aumentará las cargas de fatiga.

Los diseños bipalas usados ampliamente en Estados Unidos, presenta ventajas en cuanto a costes y peso. Como inconvenientes presentan la necesidad de un diseño más complejo, con un rotor basculante (buje oscilante), que tiene que ser capaz de inclinarse para evitar fuertes sacudidas en la turbina cada vez que una de las palas pasa por la torre. Otros inconvenientes son su mayor impacto visual sobre el paisaje y su mayor sensibilidad a las vibraciones.

La solución tripala es la más desarrollada en Europa, este diseño es más estable y equilibrado desde el punto de vista dinámico y económicamente más eficaz que los sistemas con mayor número de palas. En cuanto a la producción de potencia, ésta presenta muy pocas oscilaciones durante cada vuelta, lo que permite el uso de bujes más simples y rígidos. El inconveniente de estos rotores suele ser su mayor peso, complejidad y dificultad de instalación.

Los aerogeneradores multipala son más pesados y caros debido al mayor número de palas, pero tienen la ventaja de emitir menos ruido y de tener un diseño relativamente sencillo, ya que siguen conservando similitud con los antiguos molinos multipala usados para bombear agua de los pozos.

5.1.3.2 Materiales de las palas

La dificultad de fabricación del rotor no esta en la aerodinámica sino en la construcción y resistencia de los materiales de la pala, puesto que estos deben cumplir con una serie de condiciones como son la rigidez, resistencia, ligereza y un coste mínimo.

Uno de los primeros materiales empleados para su fabricación fueron las aleaciones de acero y aluminio, pero sus problemas de peso y de fatiga, restringió su uso sólo a aerogeneradores muy pequeños.

El material compuesto más utilizado en la mayoría de las modernas palas de rotor de grandes aerogeneradores es la fibra de vidrio con resina de poliéster, debido a que este material cuenta con una gran versatilidad de fabricación y buenas propiedades estructurales y de resistencia a fatiga. Además, también tiene un bajo coeficiente de dilatación y una reducida conductividad térmica, lo que hace que el uso de estos materiales sea idóneo para la protección del sistema frente al rayo.

Otro material más reciente es la fibra de carbono, utilizado como material de refuerzo en tiras por sus buenas propiedades mecánicas, también se caracteriza por su alta resistencia específica pero su precio hace que el uso de estas palas sea antieconómico para grandes aerogeneradores.

Por último, se esta investigando en otro tipo de materiales compuestos (composites) de madera, madera-epoxy o madera-fibra epoxy que aunque todavía no han penetrado en el mercado de las palas eólicas, existe un continuado desarrollo en esa área.

Las propiedades mecánicas a tener en cuenta a la hora de seleccionar el mejor material necesario en la fabricación de las palas son el peso específico (g/cm3), el limite elástico

σ (N/mm2), el modulo de elasticidad E (KN/mm2) y la resistencia a fatiga (N/mm2).

5.1.3.3 Geometría de las palas

La aerodinámica de las palas de los aerogeneradores depende en gran medida de su geometría, que se define indicando la distribución de cuerdas, ángulos de torsión, espesores relativos y tipos de perfil a lo largo de su radio.

La distribución de cuerdas y del ángulo de torsión depende en gran medida de las preferencias que el diseñador establezca en las actuaciones de la aeroturbina. Así por ejemplo, palas con una relación de cuerdas mayor, esto es con longitudes de cuerda mayores en la punta, mejora el coeficiente de potencia a carga parcial y aumenta el par de arranque. Sin embargo, este diseño penaliza el funcionamiento aerodinámico de la turbina a plena carga.

Los espesores relativos son más reducidos en la zona de la punta de la pala (12-15 %) y se acercan más al diseño óptimo aerodinámico. Por el contrario, los espesores relativos aumentan en la zona cercana a la raíz. La prioridad de diseño en esta zona es aportar rigidez estructural a la pala, aunque la distribución de espesores no sea la más adecuada desde un punto de vista aerodinámico.

La forma geométrica de la punta de la pala es otro aspecto que se debe considerar en el diseño aerodinámico ya que influye en la potencia generada de la turbina y en la emisión de ruido acústico.

5.1.3.4 Otros parámetros que se deben tener en cuenta a la hora de elegir una pala son:

La longitud de las palas: está en función de la potencia deseada. También fija la frecuencia de rotación máxima, que la hélice no deberá superar para evitar tensiones en las palas debidas a la fuerza centrípeta. Es esencial tener en cuenta la fatiga de las palas y los riesgos de vibraciones, sobre todo para las palas muy largas.

Perfil: es la forma del borde de ataque de la pala contra el viento.

Fuerza de arrastre: o resistencia es la componente de la fuerza aerodinámica experimentada por un perfil cuando el aire incide sobre el mismo en la dirección paralela al de la velocidad del viento respecto al perfil.

Fuerza de sustentación: es la componente de la fuerza aerodinámica experimentada por un perfil cuando el aire incide sobre el mismo en la dirección perpendicular al de la velocidad del viento respecta al perfil.

Calaje: es el ángulo de ataque de la pala contra el viento, que permite no sólo obtener la potencia óptima, sino que puede utilizarse como sistema de regulación.

La anchura de las palas: no interviene en la potencia de la máquina, que solo es función de la superficie barrida, pero si interviene en el par de arranque. Con palas estrechas y finas se consigue una velocidad de rotación más elevada, pero el par de arranque (facilidad para arrancar) es mayor cuanto más ancha sea la pala.