Introducción.
¿Qué es un aerogenerador o generador eólico? Los aerogeneradores son los conocidos coloquialmente como “molinos de viento”. Su función es convertir la energía cinética del viento en electricidad. Desde su creación, han evolucionado hasta lo que es hoy y todo lo que nos aporta en las energías (es la número 1 en producción de energía).
Se ha utilizado históricamente para realizar diversas funciones, pero hasta el año 1980 no se instaló un aerogenerador en Europa orientado exclusivamente a la producción de electricidad. Produciéndose en los años 2000 un despliegue de turbinas con el fomento de las renovables.
Los aerogeneradores, al igual que las placas solares, tienen especial relevancia en la transición energética y a nivel económico (¿Sabes qué se puede invertir en proyectos eólicos?)
¿Qué es un aerogenerador?
Un aerogenerador o turbina eólica es una máquina, que se ha perfeccionado a lo largo de los años, cuya función es convertir la energía cinética en electricidad, que se puede utilizar tanto para uso diario en el hogar, como para la industria. Esta energía es conocida como energía eólica y es una de las más importantes en cuanto a la producción de energías renovables.
¿Cómo funciona?
Los aerogeneradores pueden ser de eje horizontal o vertical, aunque lo más eficientes son los de eje horizontal (son los más utilizados actualmente).
Los elementos encargados de transformar la fuerza del viento en energía son 3: el rotor (sistema de captación de viento), la multiplicadora y el generador eléctrico.
La turbina comienza a funcionar cuando el anemómetro detecta velocidad suficiente del viento como para producir electricidad, se libera el rotor al retirar los mecanismos de frenos.
Partes del aerogenerador.
Las partes principales de un aerogenerador son:
- Base: En la base del aerogenerador se ubican los armarios de baja tensión y las celdas de maniobra de alta tensión.
- Torre: la torre es el tubo, normalmente de metálico u hormigón. Aquí se ubica el transformador.
- Góndola: están los elementos principales para el funcionamiento de la turbina. Entre estos elementos se encuentran: la multiplicadora, (transforma la energía de baja velocidad en alta velocidad) y el generador (convierte la corriente en baja tensión para poder ser vertida a red).
- Rotor: es la parte delantera de la góndola, los elementos que lo conforman son: palas y buje.
Tipos de aerogeneradores.
- Aerogeneradores de palas y eje horizontal: lo que se utilizan habitualmente, pues son los más eficientes. El eje de giro es paralelo al suelo y tiene una gran altura de buje. El rotor tiene un mecanismo que sirve para seguir las direcciones de viento. Tienen 3 palas.
- Aerogeneradores con palas y eje vertical (savonius, darrieus, turbina mixta, giromill). Estos aerogeneradores a gran escala son menos conocidos, pero también se utilizan.
Impacto de la energía eólica
El desarrollo en la tecnología en el sector de las energías renovables ha sido constante y se ha incrementado durante estos últimos años. La energía eólica ha sido sin lugar a dudas una de las grandes protagonistas en esta revolución. Motivo por lo que se está convirtiendo en una de las fuentes de energías más relevantes.
Si bien, aún quedan cuestiones por resolver, como la solución que aporta Vortex Bladeless, facilitará enormemente afianzar la presencia de los aerogeneradores, no solo en grandes extensiones de campos u offshore, sino también, cerca del punto de uso.
Nuevas tecnologías, aerogeneradores sin palas.
Las nuevas tecnologías en este sector, están dirigidos por un lado, a la mejora de la captación de la energía cinética, y por otro lado, a reducir el impacto medioambiental-visual.
En cuanto a esta última, destaca una empresa española, Vortex Bladeless. Su propuesta elimina por completo lo que conocemos como rotor. El que no tenga palas, las hace más silenciosa y fácil de transportar. Además, ofrecen aerogeneradores de distintos tamaños para que puedas tener energía eólica, incluso para autoconsumo.
La estructura de este aerogenerador es peculiar. El concepto es simple, pues solo tiene la torre que se mueve como un péndulo cuando el viento pasa a través de él.
¿Cómo capta y genera energía el aerogenerador? El viento pasa alrededor del cilindro, se crean vórtices de presión, empieza a oscilar y a absorber la energía. La electricidad, en este caso, se genera por inducción electromagnética sin necesidad de rotación sobre un eje.
Pero vamos a ver esta tecnología más en detalle. Lo explicaré conforme a mi entender, pero te dejo aquí el documento oficial (en inglés).
Resonancia aerodinámica
La resonancia surge cuando una oscilación es forzada por un movimiento periódico. En aeroelasticidad, el aire puede inducir un movimiento oscilatorio en un cuerpo si su frecuencia de resonancia natural y la frecuencia de estela del desprendimiento de vórtices son similares.
Las vibraciones inducidas en un cuerpo por vórtices se conocen como fenómenos VIV. El desprendimiento de los vórtices ocurre con periodicidad con fuerzas perpendiculares a la dirección del flujo del viento. Y existe una constante de proporcionalidad St entre la velocidad media del flujo de viento incidente v, la inversa de su longitud característica ÿ y la frecuencia de desprendimiento de vórtices f.
La dirección del viento es variable, por lo que la torre debe ser circular, donde la formación de desprendimiento de vórtices se forma fácilmente. Por otro lado, teniendo en cuenta la ley exponencial de Hellman, indica que cuanto más alta se está del suelo, más aumenta la velocidad del viento. Por lo que, un aerogenerador siguiendo estas premisas debe ser alto y cilíndrico.
En principio, con esto debería ser suficiente para transformar de forma eficiente la energía cinética en electricidad. Y como es el caso de Vortex Bladeless , al cumplirse los requisitos, no son necesarias las palas que giran sobre el eje, sino que será el propio cilindro que se moverá y de ese movimiento se transformará la energía cinética.
Este tipo de aerogenerador, puede alcanzar un desprendimiento de vórtice sincronizado a lo largo de todo el cilindro al modificar el diámetro en función de la altura. Especialmente, las estructuras donde existe oscilación, como es el caso, se obtiene un mejor rendimiento con ÿ =D+a·X (Donde la longitud característica ÿ es la suma del diámetro del mástil y la amplitud de su oscilación X multiplicada por un factor de ajuste que depende del Número de Reynolds.)
Sistema de afinación
Al ser la velocidad del viento variable, la formación de los vórtices no es constante, por lo que se debe aumentar el rango de velocidades útiles del viento. Para ello, los creadores de este aerogenerador utilizan esta estrategia que les permite evitar los ejes mecánicos y así lograr dichas mejoras:
Como se puede apreciar en la figura 3 del documento que aportan en el whitepaper, aparece el diagrama del oscilador armónico amortiguado, así, una masa oscila bajo la acción de la fuerza F y se conecta a un resorte de constante elasticidad K y amortiguador constante C.
Por lo tanto, el comportamiento de un aerogenerador resonante VIV sin sistema de sintonización incorporado se puede entender con respecto a este modelo.
La masa de un mástil está sostenida por una varilla con cierta rigidez y el sistema es amortiguado por el alternador y otras pérdidas de potencia. Todo este sistema resonará si la fuerza oscilatoria inducida por el viento tiene la siguiente frecuencia:
Por lo que, la forma y mejoras a realizar para conseguir el gradiente adecuado en cuanto a la velocidad del viento sería esta:
Alternador en el aerogenerador sin aspas
La forma en la que se convierte la energía estructural en electricidad es a través de la ondulación del aerogenerador. También es posible obtenerla con la inducción electromagnética mediante el uso de un alternador de imanes permanentes. Estos imanes permanentes se sitúan en anillo móvil y fijados al mástil. El uso simultáneo del anillo móvil para la generación de energía y el ajuste de la estructura ahorra peso y costos.
Fatiga del aerogenerador
No todo es perfecto, como bien hemos analizado a lo largo del artículo, el aerogenerador tiene una varilla de fibra de carbono que con el movimiento se deteriora por la carga de flexión cíclica y dinámica.
Indican lo siguiente sus desarroladores:
“De acuerdo con el principio de prudencia se considera un dispositivo cuya flexión siempre fue en el mismo plano, con un ángulo máximo y una frecuencia de trabajo ininterrumpida de 5 Hz. La fórmula clásica:
Sf=a·Nb (9)
con Sut = 500 Mpa, S’e = 252 MPa y factores Ka = 0.96, Kb = 0.94, Kq = 0.98, Kd = 1, Ke = 0.98, Kg = 0.97 y Kc = 0.897, nos lleva a una vida operativa esperada de 19,83 años. “
Una vida operativa similar a un aerogenerador tradicional (vida útil media de 20 a 25 años).
Conclusión
Los aerogeneradores, junto con las placas solares, serán los protagonistas de la transición energética. En especial, los aerogeneradores cuya tecnología avanza y la producción de energía es a gran escala. Aunque el gran inconveniente son los costes para construir parques eólicos ¿serán parte de la solución los aerogeneradores sin palas?
