Turbinas Eólicas: Cómo Generan Energía Limpia

En Estados Unidos hoy, una turbina eólica es una de las formas más comunes y limpias de generar energía. Esta generación ocurre desde granjas eólicas masivas a turbinas pequeñas alimentando una sola casa. Turbinas eólicas en el mundo producen electricidad limpia capaz de servir diversas necesidades energéticas.

Hoy conocerás definición, aplicaciones, función, componentes, diagrama, tipos y funcionamiento de una turbina eólica. También ventajas y desventajas de estos tipos.

¿Qué es una turbina eólica?

Una turbina eólica es una máquina que convierte energía cinética del viento en electricidad limpia. También puede verse como dispositivo que convierte energía cinética del viento en energía eléctrica limpia y renovable.

La turbina tiene palas que giran entre 13 y 20 revoluciones por minuto, según su tecnología. Puede ser velocidad constante o variable, es decir, velocidad del rotor difiere en relación a velocidad del viento. Esto ayuda a alcanzar mayor eficiencia.

Las turbinas eólicas están diseñadas para vida media superior a 25 años. La rápida evolución tecnológica ha aumentado durabilidad y usabilidad.

Tienen amplia gama de tamaños y tipos, ejes horizontales o verticales. Se llaman parques eólicos donde se instalan cientos de miles de turbinas grandes. Generan más de 650 gigavatios, con 60 GW añadidos cada año, convirtiéndose en fuente cada vez más importante de energía renovable intermitente. La mayoría de países emplean turbinas eólicas para reducir costos energéticos y uso de combustibles fósiles.

Aplicaciones de la turbina eólica

Son vastas ya que la energía se requiere en casi todos los fenómenos humanos. Desde el uso temprano, se usó para generar potencia mecánica. Ya en 5000 a.C., egipcios usaban energía eólica para impulsar barcos por el Nilo. Colonos americanos usaban el sistema para bombear agua, moler grano y cortar madera en aserraderos.

Hoy turbinas pequeñas se usan para señales de tráfico, carga de baterías para energía auxiliar en barcos o caravanas. Las grandes contribuyen a suministro doméstico, vendiendo energía no usada a la red eléctrica.

En turbinas grandes, aplicaciones son proveer energía a la red, de 100 kilovatios a varios megavatios. Estas turbinas a escala de utilidad se agrupan en parques eólicos para producir mayor electricidad. Suficiente para decenas de miles de hogares.

En turbinas pequeñas, típicamente cerca de la aplicación que alimentan: estaciones de bombeo, hogares, antenas de telecomunicaciones, etc. Generan hasta 100 kilovatios. A veces conectadas a generadores diésel, baterías y sistemas fotovoltaicos. También llamado sistema híbrido eólico.

Finalmente, turbinas marinas tienden a ser masivas y más altas. Capturan vientos oceánicos potentes y generan gran energía, unos 4.000 gigavatios de electricidad. Usadas en muchos países para aprovechar energía fuerte.

Nota: la función principal es generar potencia o usarla directamente para energía mecánica.

Componentes de una turbina eólica

Convierten energía eólica en eléctrica para distribución. Componentes de turbinas convencionales de eje horizontal:

• Rotor – aprox. 20% del costo, incluye palas que convierten energía eólica en energía rotacional de baja velocidad.
• Generador – aprox. 34% del costo, incluye generador eléctrico, electrónica de control, y probablemente caja de engranajes (ej. planetaria), accionamiento velocidad ajustable o transmisión variable continua. Responsables de convertir rotación entrante baja velocidad a alta velocidad para generar electricidad.
• Estructura circundante – aprox. 15% del costo, incluye torre y mecanismo de guiñada del rotor.

Diagrama de sistema de turbina eólica:

Tipos de turbinas eólicas

Básicamente dos tipos: eje horizontal y eje vertical.

Turbinas eólicas de eje horizontal:

La mayoría hoy es de eje horizontal: palas estilo hélice giran alrededor de eje horizontal. Son either upwind (viento golpea palas antes que torre) o downwind (viento golpea torre antes que palas).

Upwind usa accionamiento de guiñada y motor, componentes que giran nacelle para mantener rotor enfrentando viento cuando cambia dirección. Logrado con sensor de viento en sistema de guiñada para turbinas grandes. Pequeñas usan veleta simple.

Una turbina eólica de eje horizontal se abrevia HAWT. Hoy es común que grandes turbinas de tres palas con palas upwind produzcan la inmensa mayoría de energía eólica mundial.

Tipos downwind eliminaron mecanismos adicionales para mantener alineación con viento. Palas diseñadas para doblarse en vientos fuertes, reduciendo área barrida y resistencia.

A pesar de beneficios downwind, diseños upwind son preferidos. Cambio de carga del viento al pasar cada pala tras torre puede dañar turbina.

Turbinas eólicas de eje vertical:

Las VAWT tienen eje rotor principal vertical. Propósito: no necesitan apuntar al viento para efectividad. Ventaja en sitios donde dirección es altamente variable. También beneficio cuando turbina se integra en edificio por ser inherentemente menos direccionable.

En estos tipos, generador y caja de engranajes pueden colocarse cerca del suelo con accionamiento directo desde ensamblaje rotor a caja engranajes en suelo. Mejora accesibilidad para mantenimiento. Sin embargo, diseños ofrecen mucha menos energía promediada en tiempo, gran desventaja.

Tipos verticales tienen mucha menor eficiencia que horizontales. Velocidad rotacional relativamente baja con torque consecuentemente mayor y mayor costo de tren de tracción afecta sistema. Caen en dos diseños principales:

Basadas en arrastre, o turbina Savonius – rotores con álabes sólidos giran sobre eje vertical.

Basadas en sustentación, o turbina Darrieus – estilo aerofolio vertical alto, algunas forma batidor. Espira eólica es tipo sustentación, aunque en pruebas independientes.

Funcionamiento de una turbina eólica

Es poco complejo y fácil de entender. La mayoría tienen tres palas, aunque dos son comunes. Montadas en torre de acero tubular. Usan velocidades de viento más rápidas a altitudes mayores ya que torre está a 30 metros (100 pies) o más.

La energía del viento se captura con palas tipo hélice, como ala de avión. Cuando sopla viento, se forma bolsillo de aire baja presión en un lado de la pala. Este bolsillo jala la pala, haciendo girar rotor. Esto es sustentación. Fuerza de sustentación es mucho mayor que fuerza del viento contra frente de pala (arrastre). Combinación de sustentación y arrastre hace girar rotor como hélice.

Serie de engranajes aumenta rotación del rotor de unas 18 rpm a unas 1.800 rpm, permitiendo al generador producir electricidad CA.

Como se dijo, la nacelle alberga componentes clave: rotores, engranajes, generadores, sobre torre. Son bastante grandes. Otra parte importante es controlador de turbina, que mantiene velocidades de rotor sin exceder 88 km/h (55 mph). Mantiene sistema seguro de vientos fuertes.

Un anemómetro mide continuamente velocidad del viento y envía datos al controlador. La nacelle también contiene freno que detiene rotor mecánica, eléctrica o hidráulicamente en emergencia.

Mira el video a continuación para aprender más sobre el funcionamiento de la turbina eólica:

Ventajas y desventajas de las turbinas eólicas

Ventajas:

Para HAWT:

• Con torre alta, acceso a viento más fuerte en sitios con cizalladura.
• Alta eficiencia: palas se mueven perpendicularmente al viento, recibiendo potencia en toda rotación.

Para VAWT:

• Producen electricidad en cualquier dirección del viento.
• Costo producción menor vs HAWT.
• Torre de soporte fuerte no requerida.
• Fácil transporte.
• Bajo costo mantenimiento.
• Instalables en área urbana.

Desventajas

Para HAWT:

• Construcción de torre masiva requerida.
• Componentes (caja engranajes, eje rotor, conjunto freno) deben izarse a posición.
• Variantes downwind sufren fatiga y fallo estructural.

Para VAWT:

• Eficiencia muy baja vs HAWT.
• Alta vibración.
• Contaminación acústica.
• Por vibración, desgaste cojinetes aumenta, resultando en altos costos mantenimiento.
• Empuje inicial requerido para iniciar giro.

Conclusión

Las turbinas eólicas convierten energía cinética del viento en electricidad limpia. Son de dos tipos: HAWT y VAWT. Funcionan diferente y ofrecen distintos beneficios. En este artículo explicamos definición, aplicaciones, función, componentes, diagrama, tipos, funcionamiento, ventajas y desventajas.

Espero que hayas aprendido mucho; si es así, compártelo con otros estudiantes. ¡Gracias por leer! Hasta la próxima.