¿Cómo frena un aerogenerador?

El sistema de frenado de un aerogenerador es un proyecto de ingeniería complejo y preciso, que no es una simple "pastilla de freno", sino un sistema de seguridad colaborativo de varios niveles.

El objetivo principal es detener o reducir de forma segura y controlada la velocidad del impulsor grande cuando sea necesario.

Cuando sea necesario "generalmente incluye las siguientes situaciones:

Velocidad excesiva del viento (normalmente superior a 25 metros por segundo): para evitar que el ventilador funcione demasiado rápido y provoque daños estructurales.

Falla de la red eléctrica o corte de energía: requiere un apagado seguro.

Mantenimiento o revisión diaria: Proporcionar un entorno de trabajo seguro para los técnicos.

Situación de emergencia: Si el sensor detecta un mal funcionamiento grave (vibración excesiva, sobrecalentamiento de la caja de cambios, etc.).

Las turbinas eólicas modernas a gran escala utilizan principalmente los siguientes tres métodos de frenado para funcionar juntas:

1. Frenado neumático: métodos primarios y principales
Este es el método de frenado más utilizado y fundamental, que se consigue modificando las características aerodinámicas de las palas.

Principio: El extremo de cada pala puede girar un ángulo determinado (normalmente 90 grados) sobre su eje. Esta acción se denomina «remar».

Proceso:

En circunstancias normales, las palas se orientan hacia el viento en el ángulo óptimo (ángulo de ataque), capturando eficientemente la energía eólica.

Cuando es necesario frenar, el sistema de control ordena que las palas giren, provocando que el borde de ataque gire hacia la dirección del viento o que el borde de la pala gire hacia la dirección del viento.

De esta manera, las palas se transforman de eficientes "alas" a "tablas de madera" de alta resistencia, con una fuerte disminución de la sustentación y un aumento significativo de la resistencia, lo que resulta en una rápida disminución de la velocidad hasta que se detienen.

Ventajas:

Sin desgaste mecánico: Porque utiliza la resistencia del aire sin fricción por contacto físico.

Confiable: incluso si se pierde la energía, la batería puede proporcionar energía de respaldo para el sistema de hélice.

Ajustable: La potencia se puede ajustar mediante frenado parcial o total para lograr un frenado de emergencia.

2. Frenos mecánicos (frenos de disco): frenos auxiliares y de estacionamiento
Similares a los frenos de disco de los automóviles, pero generalmente no se utilizan como medio principal de desaceleración.

Ubicación: Instalado en el eje de alta velocidad (después del extremo de salida de la caja de cambios y antes del generador), como este eje tiene alta velocidad y bajo torque, el tamaño del dispositivo de freno requerido se puede hacer más pequeño.

Función:

Estacionamiento: Después de que el freno neumático prácticamente detiene el impulsor (la velocidad ha descendido a un nivel extremadamente bajo), la pinza de freno mecánica sujeta el disco de freno, bloqueando firmemente el ventilador para evitar la rotación lenta causada por una brisa suave o la inercia. Esto es crucial para la seguridad del personal.

Respaldo de emergencia: En casos extremos donde el freno neumático falla por completo, sirve como última barrera de seguridad.

Características: Para evitar el desgaste excesivo y la generación de calor, los diseños de ventiladores modernos minimizan la frecuencia del frenado mecánico y normalmente solo lo utilizan después de un apagado completo.

3. Freno eléctrico (freno de generación de energía): modo de ajuste auxiliar
El frenado se consigue mediante el propio generador.

Principio: Cuando el generador se desconecta de la red eléctrica, la energía del sistema giratorio se puede consumir consumiendo energía eléctrica en la resistencia de frenado (convirtiendo la energía cinética en energía térmica y disipándola), o controlando el par inverso del generador a través de dispositivos electrónicos de potencia para ayudar en la desaceleración.

Función: Se utiliza principalmente para ajustar y ayudar a la desaceleración, especialmente durante el proceso de desconexión, junto con los frenos neumáticos para lograr una parada suave.

Flujo de trabajo colaborativo del sistema de frenado (tomando como ejemplo el apagado por viento fuerte):
El sensor de velocidad del viento detecta que la velocidad sostenida del viento excede la velocidad de corte del viento (por ejemplo, 25 m/s).

El sistema de control primero emite un comando para activar el freno neumático: las palas comienzan a girar y la velocidad del impulsor disminuye.

Al mismo tiempo, pueden activarse los frenos eléctricos para ayudar a consumir energía.

Cuando la velocidad del impulsor cae a casi cero (por ejemplo, unas pocas revoluciones por minuto), se activa el freno mecánico, sujetando el disco de freno para detener completamente y bloquear el ventilador.

El ventilador entra en un estado de apagado seguro.

Caso especial: Frenado durante pérdida de potencia
La seguridad es la consideración principal. El ventilador está equipado con un sistema de alimentación ininterrumpida (SAI) o una batería de respaldo. Incluso si la red eléctrica externa se interrumpe por completo, la fuente de alimentación de respaldo puede seguir alimentando el sistema de control y el sistema de inclinación, garantizando así que las aspas puedan inclinarse correctamente y lograr un frenado aerodinámico. Este es el diseño de seguridad contra fallos más crítico.

resumen
En resumen, el frenado de un aerogenerador es un "golpe combinado":

Fuerza principal: Frenado aerodinámico (amortiguación), responsable de la mayor parte del frenado y del control de potencia.

Estacionamiento: Freno mecánico, encargado de bloquear después de una parada estable para garantizar la seguridad.

Asistencia: Frenos eléctricos para ayudar a suavizar el proceso de frenado.

Este sistema de seguridad múltiple y redundante garantiza que incluso en condiciones climáticas adversas o de avería, los aerogeneradores de gran tamaño puedan apagarse de forma segura y fiable.