¿Cómo funciona un aerogenerador?
La forma típica de aprovechar la energía del viento es a través del uso de aerogeneradores. Un aerogenerador es una máquina que posee aspas o palas unidas a un eje común, que gira cuando el viento sopla con la intensidad suficiente. Este eje esta unido al resto de los elementos del aerogenerador que se encargan de producir electricidad. La electricidad puede almacenarse en baterías, pero esto es muy costoso y generalmente es inyectada directamente a la red. El funcionamiento es bastante simple, y lo que se va complejizando es la construcción de aerogeneradores que sean cada vez más eficientes [47].
Aerodinámica de aerogeneradores
El viento, consiste en el movimiento del aire el cual posee energía cinética. La cantidad de energía cinética es proporcional al cuadrado de su velocidad y a su masa respectivamente. Considerando un elemento de volumen cilíndrico V que es atravesado por aire en movimiento con velocidad v, la potencia P desarrollada por el fluido a través de dicha sección es igual a:
( ⍴ )
donde Cp es el coeficiente de potencia que determina el rendimiento aerodinámico del
rotor. Nótese que la potencia depende de la velocidad del viento al cubo, por lo que un pequeño aumento en la velocidad del viento genera un gran aumento de la potencia. Sin embargo, la velocidad instantánea del viento es algo que no podemos controlar. Tan solo se puede estudiar el recurso eólico que ha existido históricamente en la zona donde se plantea la instalación de los aerogeneradores y llevar a cabo una predicción de la velocidad futura del viento.
Por lo tanto, teniendo en cuenta que siempre se pretende tener un rendimiento aerodinámico (Cp) lo más alto posible, la única variable que se modifica de forma
controlada para conseguir una determinada potencia nominal es el área cubierta por las palas del aerogenerador.
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Figura I.I Relación entre potencia generada por el aerogenerador y el diámetro del rotor.
El coeficiente Cp, siempre es menor que 1, ya que una turbina nunca puede extraer
toda la energía cinética del viento, puesto que el aire no se detiene al atravesar la turbina.
El coeficiente de potencia máximo ideal de una turbina eólica se conoce como límite de Betz. Este es igual a:
Este coeficiente proporciona el límite superior del rendimiento de un aerogenerador, pero todavía no tiene en cuenta factores como:
La resistencia aerodinámica de las palas
La pérdida de energía por la estela generada en la rotación
Además, se debe tener en cuenta el rendimiento de los demás mecanismos que forman parte del aerogenerador [48].
Tipos de aerogeneradores:
Los aerogeneradores pueden ser de eje horizontal, que son los más comunes hoy en día, aunque también los hay de eje vertical.
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Figura I.II Tipos de aerogeneradores con distinto número y forma de álabes y distinto posicionamiento del rotor [47].
Uno de los problemas más frecuentes que presentan los aerogeneradores es su gran tamaño, además de las vibraciones y ruido que provocan. Por esta razón suelen localizarse en zonas alejadas de viviendas. Sin embargo empresas y científicos de todo el mundo siguen trabajando para construir aerogeneradores más pequeños, o silenciosos que puedan ubicarse en zonas urbanas. Pero uno de los problemas que más preocupa en el campo de la generación de la energía eólica es la variabilidad de la fuente, es decir del viento. Los aerogeneradores, en general, están preparados para funcionar de forma óptima cuando el viento sopla dentro de un rango determinado de velocidades. Por un lado se requiere cierta velocidad mínima para mover las aspas (Entorno a 3-4 m/s ), por el otro lado existe también un límite máximo (Cercano a 30 m/s).
Figura I.III Velocidad de la corriente de viento frente a potencia generada por el aerogenerador. Adaptado de [11]
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Al mínimo se lo llama velocidad de conexión, o sea lo mínimo para generar algo de electricidad, y al máximo se lo llama velocidad de corte, o sea cuando ya es contraproducente, ya que podría dañar el mecanismo.
Componentes de un aerogenerador o turbina
eólica:
Torre y cimientos: Los cimientos de la torre pueden ser planos o profundos, garantizando en ambos casos la estabilidad de la turbina eólica, la sujeción de la góndola y los álabes del motor. Los cimientos también deben absorber los empujes causados por la variación y potencia del viento. Las torres pueden ser de diferentes tipos dependiendo de sus características:
• Torres tubulares de acero: La mayoría de los aerogeneradores se construyen con torres tubulares de acero.
• Torres de celosía: Son fabricadas utilizando perfiles de acero.
• Torres híbridas: Pueden poseer características y materiales de diferentes tipos de torre.
• Torres de mástil tensado con vientos: Se caracterizan por ser aerogeneradores pequeños.
Rotor: El rotor es el “corazón” de todo aerogenerador, ya que sostiene los álabes o palas de la turbina, moviéndolas de manera mecánica y rotacional para transformar la fuerza del viento en energía.
Góndola: Es la cabeza más visible del aerogenerador, el casco que esconde y mantiene toda la maquinaria de la turbina. La góndola se une a la torre mediante rodamientos para poder adaptarse a la dirección del viento.
Caja multiplicadora: Consigue multiplicar los 18-50 rpm que genera el movimiento natural del rotor en aproximadamente 1.750 rpm cuando sale del generador.
Generador: Es el encargado de convertir la energía mecánica en energía eléctrica. Para turbinas de gran potencia, se emplean generadores asincrónicos doble alimentados, aunque también abundan los generadores sincrónicos y asincrónicos convencionales.
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Figura I.IV Esquema de las partes de un aerogenerador [47]
Frenos: El sistema de frenado primario para las turbina eólicas más modernas es el sistema de frenado aerodinámico que esencialmente consiste en girar las palas del rotor 90 grados a lo largo de su eje longitudinal. La experiencia ha demostrado que estos sistemas de frenado aerodinámico son sumamente seguros, ellos detendrán la turbina a lo sumo en tres rotaciones. Además se emplean frenos mecánicos siendo necesario en ellos un alto coeficiente de fricción en estático y gran resistencia a la compresión.
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