Energía eólica

Energía eólica

El viento es una forma de energía solar. Los vientos son causados ​​por el calentamiento desigual de la atmósfera por el sol, las irregularidades de la superficie terrestre y la rotación de la tierra. Los patrones de flujo de viento son modificados por el terreno de la tierra, los cuerpos de agua y la cubierta vegetal. La energía eólica es la energía cinética del aire en movimiento. Esta energía eólica puede ser cosechada. La energía eólica es la conversión de esta energía eólica en una forma útil de energía, como energía eléctrica mediante el uso de turbinas eólicas, energía mecánica mediante el uso de molinos de viento, bombeo o drenaje de agua mediante bombas eólicas y como velas para propulsar barcos. La energía eólica es una fuente de energía renovable o no convencional. Esta es una fuente de energía limpia y no contaminante. Está disponible en grandes cantidades en muchas partes del mundo. No genera gases de efecto invernadero durante la producción de electricidad.

La cantidad total de energía económicamente extraíble disponible del viento es muy alta. Axel Kleidon del Instituto Max Planck en Alemania llevó a cabo un cálculo de arriba hacia abajo sobre cuánta energía eólica hay, comenzando con la radiación solar entrante que impulsa los vientos creando diferencias de temperatura en la atmósfera. Llegó a la conclusión de que se podrían extraer entre 18 TW y 68 TW (teravatios, que es un billón de vatios). Cristina Archer y Mark Z. Jacobson presentaron una estimación "de abajo hacia arriba" basada en mediciones reales de la velocidad del viento. Según esta estimación, hay 1700 TW de energía eólica disponibles a una altitud de 100 metros sobre tierra y mar. De esta potencia disponible, se podrían extraer entre 72 y 170 TW de manera práctica y rentable. Más tarde lo estimaron en 80 TW. Sin embargo, una investigación en la Universidad de Harvard estima una capacidad de 1 vatio/m2 en promedio y de 2 a 10 MW/km2 para parques eólicos a gran escala, lo que sugiere que estas estimaciones de los recursos eólicos globales totales son demasiado altas por un factor de alrededor de 4.

La generación de energía eléctrica a partir de la energía eólica se lleva a cabo con la ayuda de aerogeneradores. Cada aerogenerador está acoplado a un generador (alternador). En pocas palabras, una turbina eólica es lo opuesto a un ventilador. En lugar de usar electricidad para generar viento, como un ventilador, las turbinas eólicas usan el viento para generar electricidad. El viento hace girar las aspas, que hacen girar un eje que se conecta a un generador para producir electricidad. Varias turbinas están conectadas entre sí para obtener la salida deseada. A este conjunto de gran número de aerogeneradores se le denomina parque eólico. Un parque eólico normalmente se construye donde la velocidad del viento es suficiente para mover la pala de la turbina.

Energía procedente de la energía eólica

El uso de la energía eólica para generar energía está creciendo a un ritmo muy rápido. La energía eólica utiliza turbinas eólicas para recolectar la energía del aire en movimiento y convertir esa energía en electricidad. El principio de generar energía eólica a partir de energía eólica es el siguiente.

La energía eólica total que fluye a través de un área imaginaria A durante el tiempo t está dada por la siguiente ecuación

¿Dónde? es la densidad del aire, v es la velocidad del viento, Avt es el volumen de aire que pasa a través de A (que se considera perpendicular a la dirección del viento), Avt? es por lo tanto la masa m que pasa por unidad de tiempo. Tenga en cuenta que ½ ?v ² es la energía cinética del aire en movimiento por unidad de volumen.

La potencia es energía por unidad de tiempo, por lo que la potencia eólica incidente en A (por ejemplo, igual al área del rotor de un aerogenerador) es:

De la ecuación anterior se infiere lo siguiente.

• La potencia es directamente proporcional a la densidad del aire?. A medida que aumenta la densidad del aire, aumenta la potencia de la turbina.
• La potencia es directamente proporcional al área de barrido de los álabes de la turbina. Si se aumenta la longitud de la pala, el radio del área de barrido aumenta en consecuencia, por lo que aumenta la potencia de la turbina.
• La potencia del viento también varía con la velocidad y en una corriente al aire libre es proporcional a la tercera potencia de la velocidad del viento (v). La potencia disponible aumenta ocho veces cuando se duplica la velocidad del viento. Por lo tanto, las turbinas eólicas para la red eléctrica deben ser especialmente eficientes a velocidades de viento más altas.

Aerogeneradores

En la planta de energía eólica, la turbina eólica utiliza energía cinética, presente en el viento para hacer girar el motor principal del alternador (generador) para generar electricidad. Cuando un viento suficiente golpea las palas de la turbina, giran. Las palas están acopladas con un rotor. Entonces, cuando las palas se mueven, el rotor también se mueve. En una turbina eólica, el sistema de paso controla la velocidad del rotor. El rotor está conectado al eje de baja velocidad. Este eje de baja velocidad está conectado al eje de alta velocidad del generador por medio de un sistema de engranajes. El sistema de engranajes eleva la velocidad de rotación del eje del generador a la velocidad normal de un generador común. Este generador de alta velocidad produce electricidad.

Los aerogeneradores también constan de un controlador de cuándo arrancar o parar la máquina. Normalmente, las turbinas eólicas funcionan dentro de un rango de velocidades del viento. Cuando la velocidad del viento cruza el límite inferior, la turbina arranca y la turbina se detiene automáticamente cuando la velocidad del viento alcanza el límite superior, también conocido como velocidad del viento de supervivencia. Todas las turbinas eólicas están diseñadas para esta velocidad máxima del viento (velocidad del viento de supervivencia)

Las turbinas eólicas tienen un anemómetro que determina la velocidad del viento y envía información regular al controlador si la velocidad del viento es alta o no. El freno funciona en caso de emergencia para detener el rotor mecánica, eléctrica o hidráulicamente. La turbina eólica también contiene veleta, accionamiento de guiñada y motor de guiñada. Sus funciones son medir la dirección del viento y ajustar las turbinas eólicas para mantenerse frente al viento cuando cambia la dirección del viento.

Generalmente hay dos tipos de aerogeneradores. Aerogenerador de eje horizontal (HAWT) y aerogenerador de eje vertical (VAWT). El eje horizontal se divide en ceñida y sotavento, mientras que el eje vertical se divide en función de la resistencia y de la sustentación.

En la turbina contra el viento HAWT, el eje de la turbina y el alternador están alineados horizontalmente y las palas de la turbina se colocan en la parte delantera de la turbina, lo que significa que el aire golpea las palas de la turbina antes de la torre. En el caso de la turbina HAWT a favor del viento, los ejes del rotor y el generador también se colocan horizontalmente, pero las palas de la turbina se colocan después de la turbina, lo que significa que el viento golpea la torre antes que las palas.

Si observamos una turbina basada en arrastre VAWT, el eje del generador está ubicado verticalmente con las palas posicionadas hacia arriba y las turbinas normalmente están montadas en el suelo o en una pequeña torre. En el caso de la turbina basada en elevación VAWT, el eje del generador se coloca verticalmente con la posición de las palas hacia arriba. La mayoría de las grandes turbinas eólicas modernas son turbinas de eje horizontal debido a su alta eficiencia. Ya que las palas siempre se mueven perpendicularmente al viento, y reciben potencia durante todo el giro. La turbina tiene los siguientes componentes principales.

• Pala o rotor que convierte la energía del viento en energía del eje de rotación
• Tren de transmisión que incluye una caja de cambios y un generador
• Torre que soporta el rotor y el tren de transmisión
• Los equipos de equilibrio incluyen controles, cables eléctricos, equipos de apoyo en tierra y equipos de interconexión.

Los componentes de un aerogenerador se muestran en la Fig. 1

 Fig. 1 Componentes de un aerogenerador

Un parque eólico es un grupo de turbinas de viento en el mismo lugar que se utiliza para la producción de electricidad. Un gran parque eólico puede consistir en varios cientos de turbinas eólicas individuales distribuidas en un área extensa, pero la tierra entre las turbinas puede usarse con fines agrícolas o de otro tipo. Un parque eólico también puede estar ubicado en alta mar.

Casi todas las turbinas eólicas grandes suelen tener el mismo diseño, que consiste en una turbina eólica de eje horizontal que tiene un rotor contra el viento con tres palas, unido a una góndola en la parte superior de una torre tubular alta. En un parque eólico, las turbinas individuales están interconectadas con un sistema de recolección de energía y una red de comunicaciones de media tensión (alrededor de 33 kV). En una subestación, esta corriente eléctrica de voltaje medio se incrementa en voltaje con un transformador para la conexión al sistema de transmisión de energía eléctrica de alto voltaje.

La especificación de diseño de un aerogenerador suele basarse en una curva de potencia y disponibilidad garantizada. El rango de temperatura de funcionamiento típico es de ?20 a 40 grados C. En las áreas con clima extremo y calor, se requieren versiones. Los aerogeneradores se pueden diseñar y validar de acuerdo con las normas IEC 61400 .

La aerodinámica de un HAWT es un poco complicada. El flujo de aire en las palas no es el mismo que el flujo de aire lejos de la turbina. La aerodinámica en la superficie del rotor exhibe fenómenos que rara vez se ven en otros campos aerodinámicos. En 1919, el físico Albert Betz demostró que para una máquina ideal de extracción de energía eólica, las leyes fundamentales de conservación de la masa y la energía no permitían capturar más del 59,3 % de la energía cinética del viento. Las turbinas modernas se acercan a este límite de la ley de Betz y pueden alcanzar entre el 60 % y el 70 % de este límite teórico

Las turbinas eólicas normalmente están diseñadas para producir un máximo de potencia en un amplio rango de velocidades del viento. Todos los aerogeneradores suelen estar diseñados para una velocidad máxima del viento. Las turbinas eólicas tienen los siguientes tres modos de funcionamiento.

• operación por debajo de la velocidad nominal del viento
• alrededor de la operación de velocidad nominal del viento (generalmente a la capacidad de la placa de identificación)
• operación con velocidad del viento superior a la nominal

Si se supera la velocidad nominal del viento, la potencia debe limitarse. Esto se hace de diferentes maneras. Un sistema de control consta de tres elementos básicos que consisten en sensores para medir las variables del proceso, actuadores para manipular la captura de energía y la carga de los componentes, y algoritmos de control para coordinar los actuadores en función de la información recopilada por los sensores.

Otras cuestiones de la energía eólica

• Dado que la velocidad del viento no es constante, la producción de energía anual de un parque eólico nunca es igual a la suma de las clasificaciones de la placa de identificación del generador multiplicada por el total de horas en un año. La relación entre la productividad real en un año y este máximo teórico se denomina factor de carga de la planta (PLF). El PLF típico alcanzado es del 15 % al 40 %. Los valores de PLF más altos en el extremo superior del rango se logran en sitios favorables y se deben a mejoras en el diseño de la turbina eólica.
• La energía eólica casi nunca sufre fallas técnicas importantes, ya que las fallas de las turbinas eólicas individuales apenas tienen efecto en la potencia total, por lo que la energía eólica distribuida es altamente confiable y predecible.
• Aunque las plantas de energía eólica tienen un impacto relativamente pequeño en el medio ambiente en comparación con las plantas de energía de combustibles fósiles, existe cierta preocupación por el ruido producido por las palas del rotor, los impactos estéticos (visuales) y la muerte de aves al volar hacia los rotores. .
• El principal desafío de usar el viento como fuente de energía es que es intermitente, ya que el viento no siempre sopla cuando se necesita electricidad. El viento no se puede almacenar (aunque la electricidad generada por el viento se puede almacenar, si se usan baterías), y no todos los vientos se pueden aprovechar para cumplir con la demanda de electricidad. Además, los sitios con buenos vientos suelen estar ubicados en lugares remotos lejos de las áreas de demanda de energía eléctrica.
• El desarrollo del recurso eólico es para competir con otros usos de la tierra, y esos usos alternativos pueden ser más valorados que la generación de electricidad. Sin embargo, las turbinas eólicas se pueden ubicar en terrenos que también se utilizan para el pastoreo o incluso para la agricultura.






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