Comprender la turbina eólica

Actualmente, en los Estados Unidos, una turbina eólica es una de las formas comunes y más limpias de generar energía. Esta generación de energía se lleva a cabo desde un enorme parque eólico hasta pequeñas turbinas que alimentan una sola casa. Las turbinas eólicas de todo el mundo producen electricidad limpia que es capaz de satisfacer una variedad de necesidades energéticas.

Hoy conocerás la definición, aplicaciones, función, componentes, diagrama, tipos y funcionamiento de un aerogenerador. También conocerás las ventajas y desventajas de este tipo de aerogeneradores.

¿Qué es un aerogenerador?

Un aerogenerador es una máquina que convierte la energía cinética del viento en electricidad limpia. También puede verse como un dispositivo que convierte la energía cinética del viento en energía eléctrica limpia y renovable.

La turbina tiene álabes que giran entre 13 y 20 revoluciones por minuto, aunque depende de su tecnología. Esto puede deberse a una velocidad constante o variable, es decir, la velocidad del rotor difiere en relación con la velocidad del viento. Esto a menudo ayuda a alcanzar una mayor eficiencia.

Los aerogeneradores están diseñados para tener una vida media de más de 25 años. La rápida evolución de la tecnología eólica ha traído consigo un aumento en la durabilidad y facilidad de uso de las turbinas eólicas.

Los aerogeneradores tienen una amplia gama de tamaños y tipos, ya sea de eje horizontal o vertical. Se les puede llamar parques eólicos donde se instalan cientos de miles de grandes turbinas. Generan más de 650 gigavatios de energía, con 60 GW agregados cada año, lo que los convierte en una fuente cada vez más importante de energía renovable intermitente. La mayoría de los países emplean turbinas eólicas para reducir los costos de energía y reducir el uso de combustibles fósiles.

Aplicaciones de aerogeneradores

Las aplicaciones de un aerogenerador son tan vastas ya que se requiere energía en casi todos los fenómenos del ser humano. Desde los primeros usos de la energía eólica, se ha utilizado para generar energía mecánica. Ya en el año 5000 a. C., los egipcios utilizan la energía eólica para impulsar los barcos a lo largo del río Nilo. El colono estadounidense usa el sistema para bombear agua, moler granos y cortar madera en los aserraderos.

Hoy en día, las turbinas eólicas más pequeñas se utilizan para aplicaciones como señales de advertencia de tráfico de energía, carga de baterías para energía auxiliar para barcos o caravanas. Las turbinas más grandes están diseñadas para contribuir al suministro de energía doméstica, ya que la energía no utilizada se vende al proveedor de servicios públicos a través de la red eléctrica.

Además, en grandes turbinas, sus aplicaciones son para proporcionar energía a la red, que va desde los 100 kilovatios hasta varios megavatios. Estas turbinas a gran escala a menudo se agrupan en parques eólicos para que se pueda producir una mayor cantidad de electricidad. Se producirá suficiente energía para alimentar decenas de miles de hogares.

En las turbinas eólicas pequeñas, normalmente están cerca de las aplicaciones que alimentarán, por ejemplo, cerca de las estaciones de bombeo de agua, hogares, antenas parabólicas de telecomunicaciones, etc. Genera hasta 100 kilovatios. Esta turbina a veces se conecta a generadores diésel, baterías y sistemas fotovoltaicos. También se le llama sistema eólico híbrido.

Finalmente, las turbinas eólicas marinas tienden a ser masivas y más altas. Son capaces de capturar los poderosos vientos del océano y generar una gran cantidad de energía de unos 4.000 gigavatios de electricidad. A menudo se usa en muchos países para aprovechar la energía fuerte.

Nota :la función principal de un aerogenerador es generar energía o utilizarla directamente como energía mecánica.

Componentes de un aerogenerador

Las turbinas eólicas convierten la energía eólica en energía eléctrica para su distribución. A continuación se muestran los componentes de las turbinas de eje horizontal convencionales.

• El rotor:tomó aproximadamente el 20 % del costo del dispositivo, incluidas las aspas que convierten la energía eólica en energía rotacional de baja velocidad.
• Generador:tomó alrededor del 34 % del costo de la turbina eólica, incluido el generador eléctrico, la electrónica de control y, muy probablemente, la caja de cambios (p. ej., caja de cambios planetaria), la transmisión de velocidad ajustable o la transmisión de variación continua. Estos componentes de turbinas eólicas son responsables de convertir la rotación entrante de baja velocidad en una rotación de alta velocidad adecuada para generar electricidad.
• Estructura circundante:representa aproximadamente el 15 % del costo del aerogenerador, incluye la torre y el mecanismo de guiñada del rotor.

Esquema de un sistema de aerogenerador:

Tipos de aerogeneradores

Básicamente, existen dos tipos de aerogeneradores:el eje horizontal y el eje vertical.

Aerogeneradores de eje horizontal:

La mayor parte del uso de turbinas eólicas en la actualidad es el eje horizontal, lo que significa que las palas, al estilo de una hélice, están diseñadas para girar alrededor de un eje horizontal. Estos tipos de aerogeneradores son contra el viento, es decir, el viento golpea las palas antes de la torre. Downwind es el otro tipo, donde el viento golpea la torre antes que las aspas.

La ceñida utiliza un motor y un motor de guiñada, componentes que hacen girar la góndola para mantener el rotor de cara al viento cuando cambia la dirección de este. Esto se logra usando un sensor de viento montado en el sistema de guiñada para turbinas más grandes. Pequeñas turbinas apuntan a una simple veleta.

Una turbina eólica de eje horizontal se abrevia como HAWT. Hoy en día, es común que las grandes turbinas eólicas de eje horizontal de tres palas con las palas a barlovento de la torre produzcan la gran mayoría de la energía eólica en el mundo actual.

Los tipos de turbinas a favor del viento se construyeron para eliminar algún mecanismo adicional para mantenerlas en línea con el viento. Sus palas están diseñadas para doblarse con vientos fuertes, lo que reduce su área de barrido y, por lo tanto, su resistencia al viento.

A pesar de los beneficios, las ofertas a favor del viento, los diseños a favor del viento siguen siendo los preferidos. Esto se debe a que el cambio en la carga del viento cuando cada aspa pasa detrás de la torre de soporte puede dañar la turbina.

Aerogeneradores de eje vertical:

Los aerogeneradores de eje vertical o VAWT tienen el eje del rotor principal dispuesto verticalmente. El propósito de este arreglo es que no hay necesidad de que la turbina apunte el viento para que sea efectiva. Esta es una ventaja para sitios donde la dirección del viento es muy variable. También es un beneficio cuando la turbina está integrada en un edificio porque es inherentemente menos dirigible.

En estos tipos de turbinas eólicas, el generador y la caja de engranajes se pueden colocar cerca del suelo mediante un accionamiento directo desde el conjunto del rotor a la caja de engranajes en tierra. Esto mejora la accesibilidad para el mantenimiento. Sin embargo, estos diseños ofrecen un promedio de energía mucho menor a lo largo del tiempo, lo cual es un gran inconveniente.

Los tipos de turbinas verticales tienen una eficiencia mucho menor que los diseños horizontales. Una velocidad de rotación relativamente baja con el consiguiente par mayor y el mayor costo del tren de transmisión también afecta al sistema. Estos tipos de aerogeneradores se dividen en dos diseños principales:

Turbina basada en arrastre o Savonius – generalmente tienen rotores con paletas sólidas que giran alrededor de un eje vertical.

Turbina basada en ascensor o Darrieus – tienen un estilo aerodinámico alto y vertical, aunque algunos parecen tener forma de batidor de huevos. Una aguja de viento es un tipo de turbina basada en sustentación, aunque todavía se está sometiendo a pruebas independientes.

Funcionamiento de un aerogenerador

El funcionamiento de un aerogenerador es menos complejo y se puede entender fácilmente. La mayoría de las turbinas eólicas constan de tres palas, aunque las que tienen dos palas son comunes. Estas palas están montadas en una torre de acero tubular. La turbina utiliza velocidades de viento más rápidas que se encuentran en altitudes más altas, ya que la torre se encuentra a 100 pies o más sobre el suelo.

La energía del viento es atrapada con las palas en forma de hélice, que parecen el ala de un avión. Entonces, cuando sopla el viento, se forma una bolsa de aire a baja presión en un lado de la pala. Esta bolsa de aire de baja presión tira de la pala hacia ella, haciendo que el rotor gire. Esto se conoce como elevación. La fuerza de la izquierda es mucho más fuerte que la fuerza del viento contra el lado frontal de la hoja, lo que se llama arrastre. La combinación de sustentación y arrastre hace que el rotor gire como una hélice.

Se utilizan una serie de engranajes para aumentar la rotación del rotor desde unas 18 revoluciones por minuto. Esto es aproximadamente 1800 revoluciones por minuto, lo que permite que el generador de la turbina produzca electricidad de CA.

Tal como se indicó anteriormente, la góndola es parte que alberga algunos componentes clave de la turbina. Estos incluyen rotores, engranajes y generadores, montados sobre la torre de la turbina. Estas góndolas son lo suficientemente grandes. Otra parte importante es el controlador de la turbina, que evita que las velocidades del rotor excedan las 55 mph. Esto ayuda a mantener el sistema a salvo de fuertes vientos.

Un anemómetro se utiliza en un sistema para medir continuamente la velocidad del viento y envía los datos al controlador. La góndola también contiene un freno que detiene el rotor mecánica, eléctrica o hidráulicamente en caso de emergencia.

Mire el video a continuación para obtener más información sobre el funcionamiento de la turbina eólica:

Ventajas y desventajas de los aerogeneradores

Ventajas:

A continuación se muestran los beneficios de los aerogeneradores en sus diversas aplicaciones:

• HAWT con una torre alta, la base da acceso a un viento más fuerte en sitios con cizalladura del viento.
• Alta eficiencia, porque las palas se mueven perpendicularmente al viento, recibiendo potencia durante todo el giro en HAWT.

Para VAWT

• Producen electricidad en cualquier dirección del viento
• Bajo coste de producción en comparación con los aerogeneradores de eje horizontal.
• No se requiere una torre de soporte fuerte
• Fácil de transportar de un lugar a otro
• Bajo costo de mantenimiento.
• Se puede instalar en zona urbana.

Desventajas

A pesar de las buenas ventajas de este tipo de aerogeneradores, aún existen algunas limitaciones. A continuación se muestran las desventajas de las turbinas eólicas.

Para HAWT:

• Se requiere una construcción masiva de torres.
• Los componentes como la caja de cambios, el eje del rotor y el conjunto de frenos se están levantando hasta su posición.
• Las variantes a favor del viento sufren fatiga y fallas estructurales.

Para VAWT:

• La eficiencia es muy baja en comparación con HAWT.
• Se experimentan vibraciones altas.
• Se crea contaminación acústica.
• Debido a la vibración, aumenta el desgaste de los cojinetes, lo que genera altos costos de mantenimiento.
• Se requiere el impulso inicial para comenzar.

Conclusión

Los aerogeneradores son máquinas que convierten la energía cinética del viento en electricidad limpia. Es de dos tipos, que se abrevian como HAWT y VAWT. Todo el trabajo de manera diferente y ofrece un beneficio diferente. Eso es todo por este artículo, donde explicamos la definición, aplicaciones, función, componentes, diagrama, tipos y funcionamiento de un aerogenerador. También enumeramos las ventajas y desventajas de estos aerogeneradores.

Espero que haya aprendido mucho de esta publicación, si es así, por favor compártala con otros estudiantes. Gracias por leer. ¡Hasta la próxima!