Cómo funciona la energía eólica

A veces es difícil imaginar el aire como un fluido. Parece tan … invisible. Pero el aire es un fluido como cualquier otro excepto que sus partículas están en forma de gas en lugar de líquido. Y cuando el aire se mueve rápidamente, en forma de viento, esas partículas se mueven rápidamente. Movimiento significa energía cinética, que se puede capturar, al igual que la energía del agua en movimiento puede ser capturada por la turbina de una presa hidroeléctrica . En el caso de una turbina eólica-eléctrica, las palas de la turbina están diseñadas para capturar la energía cinética del viento. El resto es casi idéntico a una configuración hidroeléctrica: cuando las palas de la turbina capturan la energía eólica y comienzan a moverse, hacen girar un eje que va desde el centro del rotor hasta un generador. El generador convierte esa energía rotacional en electricidad.. En esencia, generar electricidad a partir del viento consiste en transferir energía de un medio a otro.

La energía eólica comienza con el sol. Cuando el sol calienta una determinada área de tierra, el aire alrededor de esa masa terrestre absorbe parte de ese calor. A cierta temperatura, ese aire más caliente comienza a subir muy rápidamente porque un volumen dado de aire caliente es más liviano que un volumen igual de aire más frío. Las partículas de aire que se mueven más rápido (más calientes) ejercen más presión que las partículas que se mueven más lentamente, por lo que se necesitan menos para mantener la presión de aire normal a una altura determinada (consulte Cómo funcionan los globos aerostáticos para obtener más información sobre la temperatura y la presión del aire). Cuando ese aire caliente más ligero se eleva repentinamente, el aire más frío fluye rápidamente para llenar el espacio que deja el aire caliente. Ese aire que se precipita para llenar el espacio es viento.

Si coloca un objeto como una pala de rotor en el camino de ese viento, el viento lo empujará, transfiriendo parte de su propia energía de movimiento a la pala. Así es como una turbina eólica capta la energía del viento. Lo mismo ocurre con un velero. Cuando el aire en movimiento empuja la barrera de la vela, hace que el barco se mueva. El viento ha transferido su propia energía de movimiento al velero.

A continuación veremos las diferentes partes de una turbina eólica.

Partes de una turbina eólica

La turbina de energía eólica más simple posible consta de tres partes cruciales:

• Palas del rotor: las palas son básicamente las velas del sistema; en su forma más simple, actúan como barreras contra el viento (los diseños de palas más modernos van más allá del método de barrera). Cuando el viento obliga a las palas a moverse, ha transferido parte de su energía al rotor.
• Eje: el eje de la turbina eólica está conectado al centro del rotor. Cuando el rotor gira, el eje también gira. De esta manera, el rotor transfiere su energía mecánica de rotación al eje, que ingresa a un generador eléctrico por el otro extremo.
• Generador: en su forma más básica, un generador es un dispositivo bastante simple. Utiliza las propiedades de la inducción electromagnética para producir voltaje eléctrico – una diferencia en la carga eléctrica. El voltaje es esencialmente presión eléctrica: es la fuerza que mueve la electricidad, o corriente eléctrica, de un punto a otro. Entonces, generar voltaje es, en efecto, generar corriente. Un generador simple consta de imanes y un conductor. El conductor suele ser un cable enrollado. Dentro del generador, el eje se conecta a un conjunto de imanes permanentes que rodea la bobina de alambre. En la inducción electromagnética, si tiene un conductor rodeado de imanes y una de esas partes gira en relación con la otra, induce voltaje en el conductor. Cuando el rotor hace girar el eje, el eje hace girar el conjunto de imanes, generando voltaje en la bobina de alambre. Ese voltaje impulsa la corriente eléctrica (normalmente corriente alterna, o energía de CA) a través de líneas eléctricas para su distribución.

Ahora que hemos analizado un sistema simplificado, pasaremos a la tecnología moderna que se ve en los parques eólicos y los patios traseros rurales de hoy. Es un poco más complejo, pero los principios subyacentes son los mismos.

Tecnología eólica moderna

Cuando habla de turbinas eólicas modernas, está mirando dos diseños principales: eje horizontal y eje vertical. Las turbinas eólicas de eje vertical ( VAWT ) son bastante raras. La única actualmente en producción comercial es la turbina Darrieus, que se parece a una batidora de huevos.

En un VAWT, el eje está montado sobre un eje vertical, perpendicular al suelo. Los VAWT siempre están alineados con el viento, a diferencia de sus contrapartes del eje horizontal, por lo que no es necesario ningún ajuste cuando cambia la dirección del viento; pero un VAWT no puede comenzar a moverse por sí solo, necesita un impulso de su sistema eléctrico para comenzar. En lugar de una torre, normalmente utiliza cables de sujeción como soporte, por lo que la elevación del rotor es menor. Una elevación más baja significa un viento más lento debido a la interferencia del suelo, por lo que los VAWT son generalmente menos eficientes que los HAWT. Por el lado positivo, todo el equipo está a nivel del suelo para facilitar la instalación y el mantenimiento; pero eso significa una huella más grande para la turbina, lo cual es un gran negativo en las áreas agrícolas.

Los VAWT pueden usarse para turbinas de pequeña escala y para bombear agua en áreas rurales, pero todas las turbinas eólicas a escala de servicios públicos producidas comercialmente son turbinas eólicas de eje horizontal ( HAWT ).

Como lo indica el nombre, el eje HAWT se monta horizontalmente, paralelo al suelo. Los HAWT necesitan alinearse constantemente con el viento mediante un mecanismo de ajuste de guiñada. El sistema de guiñada generalmente consta de motores eléctricos y cajas de engranajes que mueven todo el rotor hacia la izquierda o hacia la derecha en pequeños incrementos. El controlador electrónico de la turbina lee la posición de un dispositivo de veleta (ya sea mecánico o electrónico) y ajusta la posición del rotor para capturar la mayor cantidad de energía eólica disponible. Los HAWT usan una torre para elevar los componentes de la turbina a una elevación óptima para la velocidad del viento (y así las palas pueden despejar el suelo) y ocupan muy poco espacio en el suelo, ya que casi todos los componentes tienen una altura de hasta 260 pies (80 metros) en el suelo. aire.

Grandes componentes HAWT:

• Palas de rotor: Capturan la energía del viento y la convierten en energía de rotación del eje
• Eje: Transfiere energía rotacional al generador
• Góndola: Carcasa que sostiene la caja de engranajes (aumenta la velocidad del eje entre el cubo del rotor y el generador), generador (utiliza la energía de rotación del eje para generar electricidad mediante electromagnetismo ), unidad de control electrónico (supervisa el sistema, apaga la turbina en caso de mal funcionamiento y controla la orientación mecanismo), controlador de guiñada (mueve el rotor para alinearlo con la dirección del viento) y frenos (detiene la rotación del eje en caso de sobrecarga de energía o falla del sistema).
• Torre: soporta el rotor y la góndola y eleva la configuración completa a una elevación más alta donde las palas pueden despejar el suelo de manera segura
• Equipo eléctrico: lleva la electricidad desde el generador a través de la torre y controla muchos elementos de seguridad de la turbina.

Aerodinámica de turbinas

A diferencia del antiguo diseño de molino de viento holandés, que dependía principalmente de la fuerza del viento para empujar las palas en movimiento, las turbinas modernas utilizan principios aerodinámicos más sofisticados para capturar la energía del viento de manera más efectiva. Las dos fuerzas aerodinámicas principales que actúan en los rotores de las turbinas eólicas son la sustentación , que actúa perpendicularmente a la dirección del flujo del viento; y arrastre , que actúa en paralelo a la dirección del flujo del viento.

Las palas de las turbinas tienen una forma muy parecida a las alas de los aviones : usan un perfil aerodinámico diseño. En un perfil aerodinámico, una superficie de la pala es algo redondeada, mientras que la otra es relativamente plana. El levantamiento es un fenómeno bastante complejo y, de hecho, puede requerir un doctorado. en matemáticas o física para comprenderlo completamente. Pero en una explicación simplificada de la sustentación, cuando el viento viaja sobre la cara redondeada a favor del viento de la pala, tiene que moverse más rápido para alcanzar el extremo de la pala a tiempo para encontrarse con el viento que viaja sobre la cara plana y ceñida de la pala ( mirando hacia la dirección desde la que sopla el viento). Dado que el aire que se mueve más rápido tiende a elevarse en la atmósfera, la superficie curva a favor del viento termina con una bolsa de baja presión justo encima. El área de baja presión succiona la hoja en la dirección del viento, un efecto conocido como «elevación». En el lado de barlovento de la hoja, el viento se mueve más lento y crea un área de mayor presión que empuja la hoja, tratando de frenarla. Al igual que en el diseño del ala de un avión, una alta relación entre sustentación y arrastre es esencial para diseñar una pala de turbina eficiente. Las palas de la turbina están torcidas para que siempre puedan presentar un ángulo que aproveche la relación ideal de fuerza de elevación y arrastre. VerCómo funcionan los aviones para obtener más información sobre la sustentación, la resistencia y la aerodinámica de un perfil aerodinámico.

La aerodinámica no es la única consideración de diseño que interviene en la creación de una turbina eólica eficaz. El tamaño importa: cuanto más largas son las palas de la turbina (y, por lo tanto, mayor es el diámetro del rotor), más energía puede capturar una turbina del viento y mayor es la capacidad de generación de electricidad. En términos generales, duplicar el diámetro del rotor produce un aumento de cuatro veces en la producción de energía. En algunos casos, sin embargo, en un área de menor velocidad del viento, un rotor de diámetro más pequeño puede terminar produciendo más energía que un rotor más grande porque con una configuración más pequeña, se necesita menos energía eólica para hacer girar el generador más pequeño, por lo que la turbina puede estar funcionando a plena capacidad casi todo el tiempo. Altura de la torre también es un factor importante en la capacidad de producción. Cuanto más alta sea la turbina, más energía puede capturar porque la velocidad del viento aumenta con el aumento de la elevación: la fricción del suelo y los objetos a nivel del suelo interrumpen el flujo del viento. Los científicos estiman un aumento del 12 por ciento en la velocidad del viento con cada duplicación de la elevación.

Calcular la potencia

Para calcular la cantidad de energía que una turbina puede generar realmente a partir del viento, necesita conocer la velocidad del viento en el sitio de la turbina y la potencia nominal de la turbina. La mayoría de las grandes turbinas producen su potencia máxima a velocidades de viento de alrededor de 15 metros por segundo (33 mph). Teniendo en cuenta las velocidades constantes del viento, es el diámetro del rotor lo que determina cuánta energía puede generar una turbina. Tenga en cuenta que a medida que aumenta el diámetro del rotor, la altura de la torre también aumenta, lo que significa más acceso a vientos más rápidos.

A 33 mph, la mayoría de las turbinas grandes generan su capacidad de potencia nominal, y a 45 mph (20 metros por segundo), la mayoría de las turbinas grandes se apagan. Hay varios sistemas de seguridad que pueden apagar una turbina si la velocidad del viento amenaza la estructura, incluido un sensor de vibración notablemente simple que se usa en algunas turbinas y que básicamente consiste en una bola de metal unida a una cadena, colocada sobre un pedestal diminuto. Si la turbina comienza a vibrar por encima de cierto umbral, la bola se cae del pedestal, tirando de la cadena y provocando un apagado.

Probablemente, el sistema de seguridad que se activa con más frecuencia en una turbina es el sistema de «frenado» , que se activa por velocidades del viento por encima del umbral. Estas configuraciones utilizan un sistema de control de potencia que esencialmente frena cuando la velocidad del viento es demasiado alta y luego «suelta los frenos» cuando el viento está por debajo de las 45 mph. Los diseños modernos de turbinas grandes utilizan varios tipos diferentes de sistemas de frenado:

• Control de paso: El controlador electrónico de la turbina monitorea la salida de potencia de la turbina. A velocidades del viento superiores a 45 mph, la potencia de salida será demasiado alta, momento en el que el controlador le dice a las aspas que modifiquen su inclinación para que se desalineen con el viento. Esto ralentiza la rotación de las cuchillas. Los sistemas con control de paso requieren que el ángulo de montaje de las palas (en el rotor) sea ajustable.
• Control pasivo de pérdida: Las palas están montadas en el rotor en un ángulo fijo, pero están diseñadas para que los giros en las palas apliquen los frenos una vez que el viento sea demasiado rápido. Las palas están en ángulo para que los vientos por encima de una cierta velocidad provoquen turbulencias en el lado de la pala que está en contra del viento, lo que induce a pérdida. En pocas palabras, la pérdida aerodinámica se produce cuando el ángulo de la pala frente al viento que se aproxima se vuelve tan pronunciado que comienza a eliminar la fuerza de sustentación, disminuyendo la velocidad de las palas.
• Control activo de pérdida: Las palas en este tipo de sistema de control de potencia son inclinables, como las palas en un sistema de control de paso. Un sistema de pérdida activa lee la salida de potencia de la misma manera que lo hace un sistema de control de inclinación, pero en lugar de inclinar las palas fuera de alineación con el viento, las inclina para producir una pérdida.

(Consulte Aerodinámica básica de Petester para obtener una buena explicación tanto de la sustentación como de la inmovilidad).

A nivel mundial, al menos 50.000 aerogeneradores están produciendo un total de 50.000 millones de kilovatios-hora (kWh) al año.

Fuente: science.howstuffworks.com