¿Qué son las turbinas eólicas?
Las turbinas eólicas son una fuente de energía renovable que puede instalarse tanto en tierra como en alta mar. Funcionan al convertir la energía cinética del viento en electricidad mediante un generador eléctrico.
Las turbinas eólicas varían en tamaño, desde pequeñas unidades para uso doméstico (medidas en kW), hasta grandes instalaciones capaces de abastecer a ciudades enteras (medidas en MW). Además, se están volviendo más económicas gracias a los avances tecnológicos.
Turbinas Eólicas
Las turbinas eólicas ofrecen numerosas ventajas, como la reducción de la dependencia de combustibles fósiles (carbón, petróleo, etc.) y la disminución de emisiones de gases de efecto invernadero. Sin embargo, presentan algunas desventajas, como el ruido y el impacto visual. En general, se consideran una forma limpia y eficiente de generar energía renovable.
¿Qué es el viento y cómo se produce?
El viento es el movimiento del aire dentro de nuestra atmósfera, impulsado por diferencias de presión causadas por diversos factores. Cuando el aire se calienta por el sol, asciende, creando un área de baja presión. Por el contrario, cuando el aire se enfría, desciende, resultando en un área de alta presión. Estas diferencias de presión provocan el movimiento del aire de áreas de alta presión a áreas de baja presión, en un intento de equilibrar la presión.
La velocidad del aire depende de la magnitud de la diferencia de presión. Una mayor diferencia de presión genera vientos más fuertes, mientras que una menor diferencia de presión produce brisas más suaves. Sin diferencias de presión, no habría viento, pero esto no ocurre en la realidad. El proceso continuo de igualación de presión genera un movimiento constante del aire, que da forma a los patrones climáticos que experimentamos a diario.
Para comprender mejor el viento, podemos referirnos al proceso de convección natural. El aire calentado asciende al volverse menos denso y el aire más frío lo desplaza debido a su mayor densidad. Este desplazamiento empuja el aire menos denso (más caliente) hacia arriba, creando un ciclo de aire ascendente y descendente. La convección natural ocurre a una escala mucho mayor en la atmósfera de la Tierra, pero el principio básico es el mismo.
Convección Natural
¿Cuáles son los principales tipos de turbinas eólicas?
Las turbinas eólicas pueden clasificarse de varias maneras, pero una de las formas más comunes es por su eje de rotación. Las turbinas eólicas de eje horizontal (HAWT) son utilizadas en aplicaciones comerciales grandes y son las más conocidas. Las turbinas eólicas de eje vertical (VAWT) son menos comunes, menos eficientes y no se utilizan en aplicaciones comerciales grandes.
¿Cuáles son las principales partes de una turbina eólica?
A continuación se ofrece una breve descripción de cada componente de la turbina eólica para familiarización; luego se proporciona una descripción detallada de cada parte.
Partes de la Turbina Eólica
Las principales partes de una turbina eólica son:
- Cimentación – soporta el peso de la turbina y sus componentes. La cimentación se construye típicamente de concreto o acero.
- Torre – proporciona soporte estructural y eleva la góndola.
- Góndola – alberga toda la maquinaria de generación de energía.
- Rotor – compuesto por las aspas y un buje.
- Aspas – diseñadas con un perfil aerodinámico para capturar la energía cinética del viento y convertirla en energía mecánica.
- Buje – una pieza central a la que se conectan todas las aspas.
- Eje de baja velocidad – transfiere la energía mecánica (movimiento rotacional) del rotor a una caja de cambios.
- Caja de cambios – incrementa la velocidad de rotación del eje de baja velocidad.
- Eje de alta velocidad – la salida de alta velocidad de la caja de cambios se conecta al generador.
- Generador – convierte la energía mecánica del eje de alta velocidad en energía eléctrica.
- Sistema de frenos – detiene la rotación del rotor en una emergencia, o cuando la velocidad del viento es demasiado baja, o durante el mantenimiento.
- Sistema de control de orientación – un sistema hidráulico que alinea el rotor con la dirección del viento para una captura óptima de energía.
- Sistema de control de paso – un sistema hidráulico utilizado para ajustar el ángulo de las aspas del rotor. Variar el ángulo de ataque modifica la potencia de salida de la turbina.
- Electrónica – regula el voltaje y la frecuencia de salida del generador.
- Transformador – generalmente instalado en la base de la torre o dentro de la góndola. El transformador aumenta el voltaje de salida del generador para una transmisión eficiente.
A continuación se ofrece una mirada detallada a cada una de las partes principales de una turbina eólica.
Torre
La torre eleva la góndola, maximizando su exposición a las mayores velocidades del viento presentes a mayores alturas. Cuanto mayor sea la velocidad del viento, mayor será la cantidad de energía disponible para convertir en energía eléctrica.
Góndola
La góndola es un recinto situado en la parte superior de la torre. Alberga toda la maquinaria de generación de energía, incluyendo la caja de cambios, el generador y los sistemas de control. La góndola protege la maquinaria del entorno, reduciendo los efectos del desgaste, la corrosión y la erosión.
Rotor
El rotor consta de dos partes principales: las aspas y el buje. El rotor captura la energía del viento y la convierte en energía mecánica. A medida que el viento fluye sobre las aspas, induce una fuerza de rotación (torque) que se transmite al buje y, en consecuencia, al resto de los componentes rotativos de la turbina (eje de baja velocidad, caja de cambios, eje de alta velocidad y generador).
Aspas
Las aspas convierten la energía cinética del viento en energía mecánica; esto se logra porque cada aspa tiene un perfil aerodinámico. El diseño del perfil aerodinámico genera sustentación a medida que el aire fluye sobre la superficie del aspa. La sustentación es la fuerza lineal que actúa sobre el aspa, pero es el torque -una fuerza rotativa- lo que hace que las aspas giren.
Buje
El buje sirve como punto de conexión central para todas las aspas de la turbina. El buje transfiere el movimiento rotacional generado por las aspas al eje de baja velocidad y luego a los otros componentes rotativos de la turbina.
Eje de baja velocidad
El eje de baja velocidad transmite el movimiento rotacional del rotor a la caja de cambios.
Caja de cambios
La caja de cambios toma la baja velocidad de rotación del eje de baja velocidad y la incrementa antes de pasarla al eje de alta velocidad.
Eje de alta velocidad
El eje de alta velocidad transfiere la energía rotacional de la caja de cambios al generador.
Generador
El generador es responsable de la conversión final de energía. Convierte la energía mecánica del eje de alta velocidad en energía eléctrica.
Sistema de frenos
El sistema de frenos permite el control operativo seguro de la turbina eólica. Puede detener la rotación del rotor durante emergencias, bajas velocidades del viento o para actividades de mantenimiento.
Sistema de control de orientación
El sistema de control de orientación se utiliza para ajustar la orientación de la góndola y el rotor con referencia a la dirección del viento. Este sistema optimiza la captura de energía asegurando que las aspas enfrenten el viento en el ángulo más eficiente. Los sistemas de control de orientación suelen ser eléctricamente o hidráulicamente actuados.
Sistema de control de paso
El sistema de control de paso modifica el ángulo de ataque de las aspas del rotor con referencia al viento. Ajustar el paso de una aspa ajusta la potencia total de salida de la turbina. Debido a la naturaleza del viento y sus condiciones variables, el control de paso es esencial para el funcionamiento eficiente de una turbina eólica.
Electrónica
La electrónica gestiona y regula varios aspectos del funcionamiento de la turbina. Controlan el voltaje y la frecuencia de salida del generador, asegurando que la turbina pueda conectarse (sincronizarse) con la red de manera segura y eficiente.
Transformador
Generalmente ubicado en la base de la torre o dentro de la góndola, el transformador sirve para aumentar el voltaje de salida del generador. Este aumento en el voltaje causa una reducción en la corriente, lo que significa que las pérdidas de transmisión de energía pueden reducirse significativamente.
Cables y Subestación
Los cables transportan la energía eléctrica desde la turbina eólica a una subestación. Múltiples turbinas eólicas se conectarán a una sola subestación. La subestación conecta el parque eólico a la red eléctrica.
¿Cómo funcionan las turbinas eólicas?
Las turbinas eólicas comerciales son estructuras altas, generalmente con tres aspas, que giran alrededor de un eje central. El eje central está formado por un eje de baja velocidad entre un buje del rotor y una caja de cambios, y un eje de alta velocidad entre la caja de cambios y el generador eléctrico (los dos ejes no están literalmente instalados a lo largo de un eje central, pero están ligeramente desfasados).
Las aspas de la turbina son rotadas por la energía cinética del viento (energía del movimiento). Cada aspa tiene una forma de perfil aerodinámico para maximizar la sustentación y minimizar la resistencia. La sustentación es una fuerza que actúa sobre las aspas a medida que el viento pasa sobre ellas, pero es el torque (fuerza rotativa) lo que hace que las aspas giren alrededor del eje central.
Diseño de Perfil Aerodinámico
Las aspas se conectan a un buje común del rotor, que se conecta a un eje de baja velocidad, luego a una caja de cambios, luego a un eje de alta velocidad y finalmente a un generador. La energía cinética del viento se convierte en energía mecánica por las aspas de la turbina; esta energía se transfiere luego a un generador donde se convierte en energía eléctrica. Todos estos componentes están alojados dentro de una góndola, que está instalada en la parte superior de una torre.
Las turbinas eólicas a menudo utilizan un diseño de torre monopolar cilíndrico, aunque también son posibles construcciones de tipo celosía. Las torres monopolares se fabrican típicamente de acero, pero también pueden construirse de concreto.
¿Qué tan grandes pueden ser las turbinas eólicas?
La turbina eólica comercial más grande es la Haliade-X de General Electric. La Haliade-X tiene una altura de 260 m (853 pies), un diámetro de rotor de 220 m (721 pies) y puede generar casi 13 MW de energía eléctrica (suficiente para unas 10,000 viviendas).
¿Por qué son tan altas las turbinas eólicas?
Las velocidades del viento son mayores a mayores elevaciones. La cantidad de energía que una turbina eólica puede extraer del viento es proporcional a la velocidad del viento. Las mayores velocidades del viento contienen más energía potencial, por lo que las turbinas eólicas se construyen altas para alcanzar esta energía potencial y cosecharla.
¿Cuáles son las ventajas de las turbinas eólicas?
Las turbinas eólicas se utilizan cada vez más como fuente de energía renovable. Hay muchos beneficios en el uso de turbinas eólicas sobre las fuentes de combustibles fósiles tradicionales, incluyendo su falta de emisiones (una vez instaladas y puestas en marcha), bajos costos de mantenimiento y capacidad para generar electricidad incluso a bajas velocidades del viento. Las turbinas eólicas también pueden utilizarse para complementar otras fuentes de energía, como la solar (fotovoltaica, a menudo abreviada como 'FV'), hidroeléctrica y plantas de energía no renovable (carbón, gas, petróleo, etc.). Además, las turbinas eólicas pueden construirse en una variedad de tipos de terreno, incluyendo tierras agrícolas, desiertos, áreas urbanas e incluso en el mar (offshore).
¿Cuáles son las desventajas de las turbinas eólicas?
Las turbinas eólicas son una fuente de energía renovable cada vez más popular, pero también tienen algunas desventajas. Uno de los problemas más significativos es que las turbinas eólicas pueden ser visualmente poco atractivas para algunas personas, particularmente en áreas rurales. También representan una fuente de contaminación acústica, ya que las aspas de una turbina pueden generar ruido debido al movimiento de las aspas a través del aire, y también a veces debido a la vibración. Las turbinas eólicas pueden representar una amenaza para la vida silvestre, ya que aves y murciélagos pueden morir si vuelan hacia las aspas. Finalmente, las turbinas eólicas pueden ser una fuente de contaminación lumínica, ya que las aspas giratorias crean sombras parpadeantes.
En general, las turbinas eólicas ofrecen una fuente de energía relativamente limpia, pero también vienen con desventajas menores.
¿Dónde se puede instalar una turbina eólica?
Las turbinas eólicas se pueden encontrar en una variedad de ubicaciones, desde campos abiertos hasta cimas de montañas. A menudo, se agrupan en 'parques eólicos' que pueden generar cantidades significativas de energía (cientos de megavatios). Algunos de los parques eólicos más grandes se encuentran en Estados Unidos, China, Reino Unido y Alemania. A medida que el uso de la energía eólica continúa creciendo, es probable que las turbinas eólicas se vuelvan aún más comunes.
Parque Eólico
Recursos para aprender más sobre turbinas eólicas:
El Programa de Energía Eólica del Departamento de Energía de EE.UU. tiene una gran cantidad de información en su sitio web.
Recursos Adicionales
https://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine
https://www.enelgreenpower.com/learning-hub/renewable-energies/wind-energy/wind-turbine
https://www.repsol.com/en/energy-and-the-future/future-of-the-world/wind-turbine/index.cshtml