Aerogenerador

Antecedentes

Una turbina eólica es una máquina que convierte la energía cinética del viento en energía mecánica rotatoria, que luego se utiliza para realizar un trabajo. En modelos más avanzados, la energía rotacional se convierte en electricidad, la forma de energía más versátil, mediante el uso de un generador.

Durante miles de años, la gente ha utilizado molinos de viento para bombear agua o moler granos. Incluso en el siglo XX, en los hogares y ranchos estadounidenses se usaban turbinas eólicas altas, delgadas y de múltiples paletas hechas completamente de metal para bombear agua al sistema de plomería de la casa o al abrevadero del ganado. Después de la Primera Guerra Mundial, se comenzó a trabajar para desarrollar turbinas eólicas que pudieran producir electricidad. Marcellus Jacobs inventó un prototipo en 1927 que podía proporcionar energía para una radio y algunas lámparas, pero poco más. Cuando la demanda de electricidad aumentó más tarde, las pequeñas e inadecuadas turbinas eólicas de Jacobs dejaron de usarse.

La primera turbina eólica a gran escala construida en los Estados Unidos fue concebida por Palmer Cosslett Putnam en 1934; lo completó en 1941. La máquina era enorme. La torre tenía 33,5 metros (36,6 yardas) de altura y sus dos acero inoxidable las palas tenían un diámetro de 58 yardas (53 metros). La turbina eólica de Putnam podría producir 1.250 kilovatios de electricidad, o lo suficiente para satisfacer las necesidades de una pequeña ciudad. Sin embargo, fue abandonado en 1945 debido a una falla mecánica.

Con el embargo de petróleo de la década de 1970, Estados Unidos comenzó una vez más a considerar la viabilidad de producir electricidad barata a partir de turbinas eólicas. En 1975 estaba en funcionamiento el prototipo Mod-O. Se trataba de una turbina de 100 kilovatios con dos palas de 19 metros (21 yardas). Siguieron más prototipos (Mod-OA, Mod-1, Mod-2, etc.), cada uno más grande y más poderoso que el anterior. Actualmente, el Departamento de Energía de los Estados Unidos tiene como objetivo ir más allá de los 3200 kilovatios por máquina.

Existen muchos modelos diferentes de aerogeneradores, siendo el más llamativo el Darrieus de eje vertical, que tiene forma de batidor de huevos. Sin embargo, el modelo más apoyado por los fabricantes comerciales es una turbina de eje horizontal, con una capacidad de alrededor de 100 kilovatios y tres palas de no más de 33 yardas (30 metros) de longitud. Los aerogeneradores con tres palas giran con más suavidad y son más fáciles de equilibrar que los de dos palas. Además, mientras que las turbinas eólicas más grandes producen más energía, los modelos más pequeños tienen menos probabilidades de sufrir fallas mecánicas importantes y, por lo tanto, son más económicos de mantener.

Los parques eólicos han surgido en todo Estados Unidos, sobre todo en California. Los parques eólicos son grandes conjuntos de turbinas eólicas ubicadas en áreas de producción eólica favorable. La gran cantidad de aerogeneradores interconectados es necesaria para producir suficiente electricidad para satisfacer las necesidades de una población considerable. Actualmente, 17.000 turbinas eólicas en parques eólicos propiedad de varias empresas de energía eólica producen 3.700 millones de kilovatios-hora de electricidad al año, suficiente para satisfacer las necesidades energéticas de 500.000 hogares.

Materias primas

Una turbina eólica consta de tres partes básicas:la torre, la góndola y las palas del rotor. La torre es una torre de celosía de acero similar a las torres eléctricas o una torre tubular de acero con una escalera interior a la góndola. El primer paso para construir una turbina eólica es erigir la torre. Aunque las piezas de acero de la torre se fabrican fuera del sitio en una fábrica, generalmente se ensamblan en el sitio. Las piezas se atornillan juntas antes de la construcción y la torre se mantiene horizontal hasta su colocación. Una grúa eleva la torre a su posición, se aprietan todos los pernos y se prueba la estabilidad al finalizar.
A continuación, se instala la góndola de fibra de vidrio. Su funcionamiento interno (eje de transmisión principal, caja de engranajes y controles de inclinación y guiñada de la hoja) se ensamblan y se montan en un bastidor de base en la fábrica. Luego, la góndola se atornilla alrededor del equipo. En el sitio, la góndola se eleva a la torre completa y se atornilla en su lugar. La mayoría de las torres no tienen tirantes, que son cables que se utilizan como soporte, y la mayoría están hechas de acero que ha sido recubierto con una aleación de zinc para protección, aunque algunas están pintadas en su lugar. La torre de una turbina típica de fabricación estadounidense tiene aproximadamente 80 pies de alto y pesa alrededor de 19,000 libras.

La góndola es una carcasa hueca y resistente que contiene el funcionamiento interno de la turbina eólica. Generalmente hecha de fibra de vidrio, la góndola contiene el eje de transmisión principal y la caja de cambios. También contiene el control de paso de las palas, un sistema hidráulico que controla el ángulo de las palas y el mando de guiñada, que controla la posición de la turbina en relación con el viento. El generador y los controles electrónicos son equipos estándar cuyos componentes principales son acero y cobre. Una góndola típica para una turbina actual pesa aproximadamente 22.000 libras.

El uso más diverso de materiales y la mayor experimentación con nuevos materiales ocurre con las palas. Aunque el material más utilizado para las palas en las turbinas eólicas comerciales es la fibra de vidrio con un núcleo hueco, otros materiales en uso incluyen maderas ligeras y aluminio. Las hojas de madera son sólidas, pero la mayoría de las hojas consisten en una piel que rodea un núcleo que es hueco o está relleno de una sustancia liviana, como espuma plástica, panal de abejas o madera de balsa. Una hoja de fibra de vidrio típica mide unos 15 metros de largo y pesa aproximadamente 2500 libras.

Las turbinas eólicas también incluyen una caja de servicios, que convierte la energía eólica en electricidad y que se encuentra en la base de la torre. Varios cables conectan la caja de servicios públicos a la góndola, mientras que otros conectan toda la turbina a turbinas cercanas y a un transformador.

El
proceso de fabricación

Antes de que se pueda considerar la construcción de aerogeneradores individuales, los fabricantes deben determinar un área adecuada para la ubicación de los parques eólicos. Los vientos deben ser constantes y su velocidad debe superar regularmente los 25 kilómetros por hora (15,5 millas por hora). Si los vientos son más fuertes durante ciertas temporadas, se prefiere que sean mayores durante los períodos de máximo uso de electricidad. En Altamont Pass de California, por ejemplo, sitio del parque eólico más grande del mundo, la velocidad del viento alcanza su punto máximo en el verano cuando la demanda es alta. En algunas áreas de Nueva Inglaterra donde se están considerando parques eólicos, los vientos son más fuertes en el invierno, cuando la necesidad de La góndola es una carcasa hueca y resistente que contiene el funcionamiento interno de la turbina eólica, como el motor principal eje y la caja de cambios. También contiene el control de paso de las palas, un sistema hidráulico que controla el ángulo de las palas y el mando de guiñada, que controla la posición de la turbina en relación con el viento. Una góndola típica para una turbina actual pesa aproximadamente 22.000 libras. la calefacción aumenta el consumo de energía eléctrica. Los parques eólicos funcionan mejor en áreas abiertas de tierra ligeramente ondulada rodeadas de montañas. Se prefieren estas áreas porque las turbinas de viento se pueden colocar en las crestas y no quedan obstruidas por árboles y edificios, y las montañas concentran el flujo de aire, creando un túnel de viento natural de vientos más fuertes y más rápidos. Los parques eólicos también deben colocarse cerca de las líneas de servicios públicos para facilitar la transferencia de la electricidad a la planta de energía local.

Preparando el sitio

• 1 Dondequiera que se construya un parque eólico, las carreteras se cortan para dejar paso al transporte de piezas. En cada ubicación de la turbina eólica, se nivela el terreno y se nivela el área de la plataforma. Un hormigón A continuación, se colocan los cimientos en el suelo, seguido de la instalación de los cables subterráneos. Estos cables conectan los aerogeneradores entre sí en serie, y también los conectan todos al centro de control remoto, donde se monitoriza el parque eólico y se envía la electricidad a la compañía eléctrica.

Erigiendo la torre

• 2 Aunque las partes de acero de la torre se fabrican fuera del sitio en una fábrica, generalmente se ensamblan en el sitio. Las piezas se atornillan juntas antes de la construcción y la torre se mantiene horizontal hasta su colocación. Una grúa eleva la torre a su posición, se aprietan todos los pernos y se prueba la estabilidad al finalizar.

Góndola

• 3 La góndola de fibra de vidrio, al igual que la torre, se fabrica fuera del sitio en una fábrica. Sin embargo, a diferencia de la torre, también se ensambla en la fábrica. Su funcionamiento interno (eje de transmisión principal, caja de engranajes y controles de inclinación y guiñada de la hoja) se ensamblan y luego se montan en un bastidor base. Luego se atornilla la góndola La caja de servicio para cada aerogenerador y el sistema de comunicación eléctrica para el parque eólico se instala simultáneamente con la colocación de la góndola y las palas. Los cables van desde la góndola hasta la caja de servicios públicos y desde la caja de servicios públicos hasta el centro de control remoto. alrededor del equipo. En el sitio, la góndola se eleva a la torre completa y se atornilla en su lugar.

Cuchillas giratorias

• 4 palas de aluminio se crean atornillando láminas de aluminio juntas, mientras que las palas de madera se tallan para formar una hélice aerodinámica similar en sección transversal al ala de un avión.
• 5 Sin embargo, con mucho, la mayor cantidad de hojas están formadas por fibra de vidrio. La fabricación de fibra de vidrio es una operación minuciosa. Primero, se prepara un molde que tiene dos mitades como una concha de almeja, pero que tiene la forma de una cuchilla. A continuación, se aplica una mezcla compuesta de fibra de vidrio y resina a las superficies internas del molde, que luego se cierra. Luego, la mezcla de fibra de vidrio debe secarse durante varias horas; mientras lo hace, una vejiga llena de aire dentro del molde ayuda a que la hoja mantenga su forma. Una vez seca la fibra de vidrio, se abre el molde y se retira la vejiga. La preparación final de la hoja implica limpiar, lijar, sellar las dos mitades y pintar.
• 6 Las palas generalmente se atornillan a la góndola después de que se haya colocado en la torre. Debido a que el ensamblaje es más fácil de realizar en el suelo, ocasionalmente una hoja de tres puntas tiene dos cuchillas atornilladas a la góndola antes de levantarla, y la tercera cuchilla se atornilla después de que la góndola está en su lugar.

Instalación de sistemas de control

• 7 La caja de servicios para cada aerogenerador y el sistema de comunicación eléctrica del parque eólico se instala simultáneamente con la colocación de la góndola y las palas. Los cables van desde la góndola hasta la caja de servicios públicos y desde la caja de servicios públicos hasta el centro de control remoto.

Control de calidad

A diferencia de la mayoría de los procesos de fabricación, la producción de aerogeneradores implica muy poca preocupación por el control de calidad. Debido a que la producción en masa de turbinas eólicas es bastante nueva, no se han establecido estándares. Ahora se están realizando esfuerzos en esta área tanto por parte del gobierno como de los fabricantes.

Si bien se espera que las turbinas eólicas en servicio funcionen el 90 por ciento del tiempo, aún se encuentran muchas fallas estructurales, particularmente con las palas. A veces, las grietas aparecen poco después de la fabricación. Es común que se produzcan fallos mecánicos debido a errores de alineación y montaje. Los sensores eléctricos fallan con frecuencia debido a sobrecargas de energía. Los frenos no hidráulicos tienden a ser confiables, pero los sistemas de frenos hidráulicos a menudo causan problemas. Se están desarrollando planes para utilizar la tecnología existente para resolver estas dificultades.

Las turbinas eólicas tienen programas de mantenimiento regulares para minimizar las fallas. Cada tres meses se someten a una inspección y cada seis meses se programa una revisión de mantenimiento importante. Esto generalmente implica lubricar las partes móviles y verificar el nivel de aceite en la caja de cambios. También es posible que un trabajador pruebe el sistema eléctrico en el sitio y observe cualquier problema con el generador o las conexiones.

Beneficios ambientales
e inconvenientes

Una turbina eólica que produce electricidad a partir de vientos inagotables no genera contaminación. En comparación, el carbón, el petróleo y el gas natural producen de una a dos libras de dióxido de carbono (una emisión que contribuye al efecto invernadero y al calentamiento global) por kilovatio-hora producido. Cuando la energía eólica se utiliza para necesidades eléctricas, se reduce la dependencia de combustibles fósiles para este propósito. La producción anual actual de electricidad por turbinas eólicas (3.700 millones de kilovatios-hora) equivale a cuatro millones de barriles de petróleo o un millón de toneladas de carbón.

Las turbinas eólicas no están completamente libres de inconvenientes ambientales. Mucha gente los considera antiestéticos, especialmente cuando se construyen grandes parques eólicos cerca de áreas vírgenes y silvestres. Se han documentado muertes de aves y el zumbido de las cuchillas produce bastante ruido. Los esfuerzos para reducir estos efectos incluyen seleccionar sitios que no coincidan con áreas silvestres o rutas de migración de aves e investigar formas de reducir el ruido.

El futuro

El futuro solo puede mejorar para las turbinas eólicas. El potencial de la energía eólica está en gran parte sin explotar. El Departamento de Energía de los Estados Unidos estima que para 1995 se puede lograr diez veces la cantidad de electricidad que se produce actualmente. Para 2005, es posible setenta veces la producción actual. Si esto se logra, las turbinas eólicas representarían el 10 por ciento de la producción de electricidad de los Estados Unidos.

Ahora se están realizando investigaciones para aumentar el conocimiento de los recursos eólicos. Se trata de probar cada vez más áreas para la posibilidad de colocar parques eólicos donde el viento sea confiable y fuerte. Existen planes para aumentar la vida útil de la máquina de cinco años a 20 a 30 años, mejorar la eficiencia de las palas, proporcionar mejores controles, desarrollar trenes de transmisión que duren más y permitir una mejor protección contra sobretensiones y conexión a tierra. El Departamento de Energía de los Estados Unidos ha establecido recientemente un cronograma para implementar las últimas investigaciones con el fin de construir turbinas eólicas con una calificación de eficiencia más alta de la que ahora es posible. (La eficiencia de una turbina eólica ideal es del 59,3 por ciento. Es decir, se puede capturar el 59,3 por ciento de la energía eólica. Las turbinas en uso real tienen una eficiencia de alrededor del 30 por ciento). El Departamento de Energía de los Estados Unidos también ha contratado a tres corporaciones para investigar formas de reducir las fallas mecánicas. Este proyecto se inició en la primavera de 1992 y se extenderá hasta finales de siglo.

Las turbinas eólicas se volverán más frecuentes en los próximos años. El mayor fabricante de turbinas eólicas del mundo, US Windpower, planea expandirse de 420 megavatios de capacidad (4.200 máquinas) a 800 megavatios (8.000 máquinas) para 1995. Planean tener 2.000 megavatios (20.000 máquinas) para el año 2000. Otros Los fabricantes de turbinas eólicas también planean aumentar la cantidad producida. Se han formado comités internacionales compuestos por varias naciones industrializadas para discutir el potencial de las turbinas eólicas. También se están haciendo esfuerzos para proporcionar a los países en desarrollo pequeños aerogeneradores similares a los que construyó Marcellus Jacobs en la década de 1920. Dinamarca, que ya produce del 70 al 80 por ciento de la energía eólica de Europa, está desarrollando planes para expandir la fabricación de turbinas eólicas. El cambio de siglo debería ver turbinas eólicas bien colocadas, eficientes, duraderas y numerosas.