Cómo funciona la energía eólica

Cómo funciona la energía eólica

La energía eólica es el sector de las energías renovables que más rápido crece, superando incluso a la energía solar. Hemos aprovechado la fuerza del viento durante gran parte de la historia de la humanidad. Los aerogeneradores, también conocidos como turbinas de viento, son una parte cada vez más común de nuestro paisaje. Aunque, a diferencia de la energía solar, los aerogeneradores son casi exclusivamente proyectos a gran escala construidos por productores industriales y comerciales. Por ello, es menos probable que el ciudadano común esté familiarizado con el funcionamiento de un aerogenerador.

¿Cómo generan electricidad los aerogeneradores?

Si has visto dibujos de turbinas de viento, sabrás que la forma más común de generar electricidad es haciendo girar una turbina que se conecta a un generador. Esto se aplica comúnmente a los combustibles fósiles, donde se quema un combustible, creando vapor o gas presurizado que hace girar una turbina y genera electricidad. Los aerogeneradores funcionan con la misma premisa, pero utilizan el viento. Las palas de un aerogenerador captan la energía cinética del viento, que las hace girar. Este movimiento giratorio genera la electricidad.

Paso 1: el viento impacta en la turbina

Antes de poder aprovechar la energía eólica, es necesario que sople el viento. El viento impacta en las palas y hace girar el rotor. Las palas tienen una forma aerodinámica, similar a la de las alas de un avión, lo que hace que generen sustentación. Esta es la fuerza que genera la electricidad. Como las palas están siempre en movimiento, el viento incide sobre ellas en un ángulo relativo. Las palas se diseñan teniendo esto en cuenta, incorporando torsiones y angulaciones para aprovechar el momento angular y capturar la mayor cantidad de energía posible.

Paso 2: la turbina gira

Una vez que la turbina comienza a girar, la energía eólica se transfiere a la caja de engranajes. El aerogenerador por sí mismo gira demasiado despacio para generar electricidad, por lo que se necesitan engranajes para amplificar la torsión. La caja de engranajes consta de un eje de baja velocidad y otro de alta velocidad. Las palas se conectan al eje de baja velocidad, el cual a su vez está conectado al eje de alta velocidad. El eje de alta velocidad se conecta al generador.

Paso 3: energía eléctrica

La caja de engranajes es como un embudo que empuja una gran cantidad de energía hacia un pequeño rotor, que hace girar un electroimán dentro del generador. La electricidad se genera al convertir la energía mecánica del viento en energía eléctrica.

Paso 4: transmisión de la energía

La electricidad fluye por los cables de la torre hasta un transformador situado en la base del aerogenerador. Los generadores de la mayoría de los aerogeneradores producen energía de corriente alterna (CA), por lo que no es necesario convertirla de corriente continua a corriente alterna, como en una central eléctrica tradicional. El transformador amplifica el voltaje para su distribución a gran escala.

Dirección y velocidad del viento

La velocidad y la dirección del viento tienen un efecto importante en la energía generada por los aerogeneradores. Los vientos más fuertes generan más electricidad, si bien hay un límite. 

Las turbinas se apagan cuando las velocidades del viento superan las 88 km/h para evitar daños, e incluso hay casos de turbinas completamente destruidas por vientos fuertes durante las tormentas. Del mismo modo, las velocidades del viento demasiado bajas tienen poca capacidad de producir energía. La mayoría de los aerogeneradores se apagan cuando la velocidad del viento es inferior a los 12 km/h.

Las turbinas funcionan mejor cuando el viento es perpendicular al plano de los rotores, o cuando los rotores y la dirección del viento forman un ángulo de 180 grados. La eficiencia de la turbina disminuye cuando el ángulo empieza a divergir. La naturaleza no es perfecta y la dirección del viento puede cambiar bruscamente sin previo aviso, por lo que la mayoría de los aerogeneradores están equipados con un sistema de guiñada con un motor que orienta la turbina hacia la dirección del viento.

Como los aerogeneradores extraen energía del viento, la velocidad del viento con corriente descendente siempre será menor que la del viento ascendente. La corriente ascendente es el lugar de donde viene el viento, es decir, la zona situada delante de la turbina. Corriente descendente es el lugar al que se dirige el viento, es decir, detrás del aerogenerador. La velocidad del viento que pasa por el plano, o sección de trabajo de la turbina, es la media de estas velocidades de corriente de viento. 

La eficiencia de la turbina alcanza su máximo nivel cuando la velocidad de la corriente descendente es un tercio de la velocidad de la corriente ascendente. La eficiencia del aerogenerador está limitada por el Límite de Betz, que establece que ningún aerogenerador puede extraer más del 59,3 % de la energía eólica disponible.

¿Cuáles son las partes de un aerogenerador?

Desde fuera, el diseño de un aerogenerador resulta bastante sencillo. Es simplemente un ventilador gigante, ¿verdad? Pues no. Conseguir la mejor eficiencia significa que en el diseño de un aerogenerador se emplean muchísimos conocimientos de ingeniería, física y dinámica de fluidos. Son un complejo sistema de piezas que funcionan para extraer la mayor cantidad de energía posible.

Palas y rotor

La principal característica de un aerogenerador son las palas. La mayoría tienen tres, aunque algunos diseños tienen solo dos palas. Las palas tienen una forma como las alas de un avión. Este diseño aerodinámico crea más sustentación que resistencia, lo que hace que las palas giren.

Como las palas giran, experimentan el viento de forma relativa. Aunque el viento es perpendicular a las palas, el extremo superior del perfil aerodinámico es el que experimenta más viento. Por ello, los diseñadores inclinan las palas en la dirección relativa del viento para maximizar la eficiencia. La velocidad y la dirección relativas del viento cambian un poco según se avanza desde la base de la pala hasta la punta. Las palas más eficientes tienen un giro leve para aprovechar este efecto. Las palas están unidas a un buje en forma de cono. Juntos, las palas y el buje forman el rotor, que gira en respuesta al viento.

Caja de engranajes

Las turbinas eólicas giran demasiado lento como para producir energía por sí solas. Para que el generador gire lo suficientemente rápido como para producir electricidad, es necesaria una caja de engranajes que acelere la rotación. La caja de engranajes consta de un eje de alta velocidad y otro de baja velocidad. El rotor está conectado al eje de baja velocidad, que se conecta al eje de alta velocidad y, a su vez, al generador. La caja de engranajes se encarga de que el generador reciba suficiente energía de rotación para generar electricidad.

Generador

El generador es donde se produce la electricidad. La torsión producida por el rotor se amplifica en la caja de engranajes y se convierte en energía eléctrica. Como la mayoría de los generadores eléctricos, el generador de una turbina eólica hace girar un rotor conectado a un electroimán, que produce electricidad.

Frenos de velocidad

Para evitar daños en caso de vientos de fuerte intensidad, los aerogeneradores están equipados con frenos de velocidad. Si la velocidad del viento supera los 88 km/h, los frenos se activan, deteniendo la rotación de las palas. Esto protege las palas, la caja de engranajes y el generador de posibles daños.

Góndola

Todas las piezas anteriores están alojadas dentro de la góndola. La góndola es la caja que se encuentra detrás de las palas y el rotor. Protege la caja de engranajes, los frenos y el generador de la exposición a los elementos climáticos.

La góndola alberga la electrónica esencial de la turbina, incluido el generador.

Anemómetro y veleta

El anemómetro es un aparato meteorológico que mide la velocidad del viento. El anemómetro envía una señal a los frenos de velocidad cuando la velocidad del viento es demasiado alta o baja. La veleta mide la dirección del viento y envía una señal a un dispositivo electrónico que controla el sistema de guiñada. Tanto el anemómetro como la veleta se encuentran en la parte superior de la góndola, normalmente en la parte de atrás.

Sistema de guiñada

El sistema de guiñada mantiene el aerogenerador orientado en la dirección correcta. El máximo rendimiento se consigue cuando los rotores del aerogenerador están perpendiculares a la dirección del viento. El sistema de guiñada recibe información de la veleta sobre la dirección del viento y orienta la turbina en concordancia. 

Está compuesto por un sistema de motores y frenos, que utiliza engranajes eléctricos o cojinetes hidráulicos para girar. El sistema de guiñada se encuentra donde la góndola se une a la torre.

Torre

El viento tiende a ser más fuerte a mayor altura, por lo que los aerogeneradores se colocan sobre grandes torres para aprovechar las mayores velocidades del viento. La altura de la torre es importante a la hora de evaluar la generación potencial de energía. Aumentar o disminuir la altura de la torre puede tener un gran impacto en la capacidad de energía proyectada. 

La altura media de las torres es de unos 65 metros. Para evitar el pandeo o la deformación, duplicar la altura de la torre requiere duplicar el diámetro de la misma y multiplicar por cuatro la cantidad de material.

La mayoría de las torres son de acero y representan entre el 30 % y el 65 % del peso total del aerogenerador. Los investigadores e ingenieros están estudiando aleaciones de acero de mayor calidad que pesen menos pero sigan proporcionando estabilidad. El acero tiene sus desventajas, ya que no es lo suficientemente fuerte como para soportar la construcción de torres de más de 90 metros de altura. Actualmente está investigándose el acero mezclado con hormigón pretensado, que podría soportar la construcción de aerogeneradores muy altos.

La torre aloja los cables que llevan la electricidad al convertidor de potencia situado en la base. En la mayoría de los aerogeneradores, la electricidad generada es ya una corriente alterna, que puede pasar por un transformador para subir o bajar el voltaje y luego alimentar directamente la red eléctrica.

Tipos de aerogeneradores

El tipo más común de aerogenerador es el de eje horizontal, llamado HAWT (por sus siglas en inglés). El diseño HAWT produce la mayor parte de la energía eólica actual. Es sencillamente el diseño más eficiente y mejor estudiado que existe. Las palas de un aerogenerador de eje horizontal generan elevación, lo que hace que las turbinas giren y generen electricidad. A diferencia de otros diseños, los HAWT deben estar orientados hacia el viento para ser eficaces y están equipados con un sistema de guiñada para asegurarse de que se consigue un ángulo constante de 180 grados. La mayoría tienen tres palas, pero también son comunes los diseños de dos palas.

Los VAWT, o aerogeneradores de acceso vertical, son menos comunes. Como su propio nombre indica, los VAWT tienen turbinas orientadas verticalmente que giran alrededor de un eje central. Una de las principales ventajas de los VAWT es que no tienen que estar orientados hacia el viento, lo que es estupendo para las zonas que tienen una dirección de viento variable. Si bien algunos proyectos VAWT son a gran escala, la mayoría tienden a utilizarse a pequeña escala, como la generación de energía para un solo edificio o una estructura pequeña.

Los aerogeneradores Darrieus son bastante eficaces, pero debido a su falta de estabilidad, se utilizan a menor escala. Este aerogenerador se encuentra en Quebec.

Fuente: Wikimedia/guillom

Los VAWT de Saponius y los de Darrieus son los dos diseños más comunes. Los Saponius son una de las formas más sencillas de generar energía eólica, ya que se fabrican con unas cuantas aspas o palas fusionadas en un eje central giratorio. Son autoarrancables, pero tienen un bajo rendimiento porque producen energía utilizando la resistencia en lugar de la sustentación. Las turbinas Darrieus utilizan dos grandes aspas curvadas unidas a la parte superior y a la base de un eje central. Los VAWT Darrieus son bastante eficientes, ya que generan electricidad utilizando la sustentación, pero adolecen de debilidades estructurales. Además, necesitan una fuente de energía externa para ponerse en marcha.

Parques eólicos

Un grupo de aerogeneradores que genera energía en un mismo lugar se denomina parque eólico. Este puede variar en tamaño desde un puñado de aerogeneradores hasta varios cientos. El número de parques eólicos está aumentando en todo el mundo y, a medida que los aerogeneradores son cada vez más eficientes, se necesitan menos aerogeneradores por unidad de energía. Los parques eólicos pueden estar en tierra o en el mar. El mayor parque eólico terrestre es el de Gansu, en China. La capacidad actual del parque es de 8 GW, y los ingenieros planean ampliarlo a 20 GW. El mayor parque marino es Hornsea 1, en el Reino Unido, con una capacidad de 1,2 GW. Cuando el proyecto esté completo, tendrá una capacidad total de 6 GW.

¿Cuánta electricidad puede producir un aerogenerador?

Los aerogeneradores grandes pueden proporcionar desde unos cientos de kilovatios hasta varios megavatios de potencia, pero como la velocidad del viento suele variar, también lo hace la generación de energía de un aerogenerador. Si un aerogenerador tiene una potencia nominal de 1,5 MW, en la práctica se espera que genere una cantidad de energía mucho menor. Por lo general, los aerogeneradores marinos son más grandes que los terrestres y, por tanto, pueden generar más energía. Los aerogeneradores marinos más grandes tienen una potencia de hasta 8 MW.

Los aerogeneradores modernos están diseñados deliberadamente para no funcionar a pleno rendimiento. Una pequeña parte de la energía se almacena en el generador o en la red eléctrica para momentos de necesidad, como un fallo en el sistema eléctrico. Esta energía extra también se utiliza en momentos de baja velocidad del viento para mantener un suministro eléctrico constante.

¿Dónde deben ubicarse los aerogeneradores?

Cualquier región con vientos fuertes es una ubicación deseable para un parque eólico. En general, los vientos más fuertes se encuentran directamente en la costa y en los pasos montañosos. Los pasos montañosos tienden a ser la ubicación ideal, ya que tienen vientos fuertes y constantes que provienen de una sola dirección. 

El acceso a los sistemas eléctricos, la geografía física y los precios locales de la electricidad también son factores importantes. Algunos de los lugares más propicios están cerca de los polos, pero el frío extremo y la falta de zonas densamente pobladas hacen que haya pocas razones para construir un parque eólico.

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