Tutoriales de energía alternativa
Diseño de Aerogeneradores para la Energía Eólica
En el corazón de cualquier sistema de generación de energía eólica renovable está el Aerogenerador. Los diseños de los aerogeneradores suelen constar de un rotor, un generador de corriente continua (CC) o un alternador de corriente alterna (CA) que se monta en una torre a gran altura sobre el suelo.
¿Y cómo se diseñan los aerogeneradores para producir electricidad? En sus términos más sencillos, un aerogenerador es lo contrario a un ventilador doméstico o de sobremesa. El ventilador utiliza la electricidad de la red eléctrica para girar y hacer circular el aire, produciendo viento. En cambio, los aerogeneradores utilizan la fuerza del viento para generar electricidad. El movimiento del viento hace girar o rotar las palas de las turbinas, que capturan la energía cinética del viento y convierten esta energía en un movimiento rotatorio a través de un eje para accionar un generador y producir electricidad, como se muestra.
Diseño típico de un generador de turbina eólica
La imagen anterior muestra los componentes básicos que conforman un diseño típico de turbina eólica. Un aerogenerador extrae la energía cinética del viento frenándolo y transfiriendo esta energía al eje giratorio, por lo que es importante tener un buen diseño. La energía disponible en el viento que se puede aprovechar depende tanto de la velocidad del viento como de la superficie que barren las palas de la turbina en rotación. Así, cuanto más rápida sea la velocidad del viento o más grandes sean las palas del rotor, más energía se podrá extraer del viento. Así que podemos decir que la producción de energía de la turbina eólica depende de la interacción entre las palas del rotor y el viento y es esta interacción la que es importante para el diseño de una turbina eólica.
Para ayudar a mejorar esta interacción y, por lo tanto, aumentar la eficiencia, existen dos tipos de diseño de turbinas eólicas. El diseño común de eje horizontal y el de eje vertical. El diseño del aerogenerador de eje horizontal capta más viento por lo que la potencia de salida es mayor que la de un diseño de aerogenerador de eje vertical. La desventaja del diseño de eje horizontal es que la torre necesaria para soportar el aerogenerador es mucho más alta y el diseño de las palas del rotor tiene que ser mucho mejor.
La turbina de eje vertical o VAWT, es más fácil de diseñar y mantener pero ofrece un menor rendimiento que los tipos de eje horizontal debido a la alta resistencia de su diseño simple de palas del rotor. La mayoría de los aerogeneradores que generan electricidad hoy en día, ya sea comercialmente o a nivel doméstico, son máquinas de eje horizontal, por lo que son estos tipos de diseño de aerogeneradores los que veremos en este tutorial de aerogeneradores.
– El Rotor – Es la parte principal de un diseño de aerogenerador moderno que recoge la energía del viento y la transforma en energía mecánica en forma de rotación. El rotor está formado por dos o más «palas del rotor» de madera laminada, fibra de vidrio o metal y un cubo protector que gira (de ahí su nombre) alrededor de un eje central.
Al igual que el ala de un avión, las palas del aerogenerador funcionan generando sustentación gracias a su forma curvada. Las palas del rotor extraen parte de la energía cinética de las masas de aire en movimiento según el principio de la sustentación a un ritmo determinado por la velocidad del viento y la forma de las palas. El resultado neto es una fuerza de sustentación perpendicular a la dirección del flujo de aire. Entonces, el truco consiste en diseñar la pala del rotor para crear la cantidad adecuada de elevación y empuje de las palas del rotor, produciendo una desaceleración óptima del aire y no más.
Desgraciadamente, las palas del rotor de las turbinas no capturan el 100% de la energía del viento, ya que hacerlo significaría que el aire detrás de las palas de las turbinas estaría completamente quieto y, por lo tanto, no permitiría que pasara más viento a través de las palas. El rendimiento máximo teórico que las palas del rotor de las turbinas pueden extraer de la energía eólica se sitúa entre el 30 y el 45% y depende de las siguientes variables de las palas del rotor: Diseño de las palas, número de palas, longitud de las palas, inclinación/ángulo de las palas, forma de las palas y materiales y peso de las palas, por nombrar algunas.
– Diseño de las palas – Los diseños de las palas del rotor funcionan según el principio del método de elevación o de arrastre para extraer energía de las masas de aire que fluyen. El diseño de las palas de elevación emplea el mismo principio que permite volar a los aviones, cometas y pájaros, produciendo una fuerza de elevación perpendicular a la dirección del movimiento. La pala del rotor es esencialmente una hoja de avión, o un ala similar a la de un avión. A medida que la pala corta el aire, se crea un diferencial de velocidad y presión del viento entre las superficies superior e inferior de la pala.
La presión en la superficie inferior es mayor y, por lo tanto, actúa para «levantar» la pala hacia arriba, por lo que queremos que esta fuerza sea lo más grande posible. Cuando las palas están unidas a un eje central de rotación, como el rotor de un aerogenerador, esta elevación se traduce en un movimiento de rotación.
Enfrentada a esta fuerza de elevación hay una fuerza de arrastre que es paralela a la dirección del movimiento y provoca turbulencias alrededor del borde de salida de la pala mientras corta el aire. Esta turbulencia tiene un efecto de frenado en la pala, por lo que queremos que esta fuerza de arrastre sea lo más pequeña posible. La combinación de elevación y arrastre hace que el rotor gire como una hélice.
Los diseños de arrastre se utilizan más en los diseños de aerogeneradores verticales que tienen grandes palas en forma de copa o curvas. El viento empuja literalmente las palas, que están unidas a un eje central. Las ventajas de las palas del rotor con diseño de arrastre son una velocidad de rotación más lenta y una capacidad de par elevada, lo que las hace útiles para el bombeo de agua y la alimentación de maquinaria agrícola. Los aerogeneradores con motor de elevación tienen una velocidad de rotación mucho mayor que los de arrastre y, por lo tanto, son muy adecuados para la generación de electricidad.
– Número de palas – El número de palas del rotor que tiene el diseño de un aerogenerador está generalmente determinado por la eficiencia aerodinámica y el coste. El aerogenerador ideal tendría muchas palas de rotor delgadas, pero la mayoría de los generadores de turbinas eólicas de eje horizontal sólo tienen una, dos o tres palas de rotor. Aumentar el número de palas del rotor por encima de tres sólo supone un pequeño incremento de la eficiencia del rotor, pero aumenta su coste, por lo que normalmente no se necesitan más de tres palas, pero existen pequeños generadores de turbinas multipalas de alto giro para uso doméstico. Por lo general, cuanto menor sea el número de palas, menos material se necesitará durante la fabricación, lo que reducirá su coste total y su complejidad.
Los rotores de una sola pala tienen un peso de contrapeso en el lado opuesto del rotor, pero sufren una gran tensión del material y vibraciones debido al movimiento de rotación poco suave de la pala única, que debe moverse más rápidamente para capturar la misma cantidad de energía eólica. Además, con los rotores de una o incluso dos palas, la mayor parte del movimiento del aire disponible y, por lo tanto, de la energía eólica, pasa a través del área de la sección transversal de la turbina sin interactuar con el rotor, lo que disminuye su eficiencia.
Los rotores multipalas, en cambio, tienen un funcionamiento más suave y niveles de ruido más bajos. Los diseños multipalas permiten velocidades de rotación y pares de torsión más lentos, lo que reduce las tensiones en el tren de transmisión, con lo que se reducen los costes de la caja de engranajes y del generador. Sin embargo, los diseños de aerogeneradores con muchas palas o palas muy anchas estarán sujetos a fuerzas muy grandes en vientos muy fuertes, por lo que la mayoría de los diseños de aerogeneradores utilizan tres palas del rotor.
– ¿Un número par o impar de palas del rotor? – Un diseño de aerogenerador que tenga un número «PAR» de palas del rotor, 2, 4 ó 6, etc, puede sufrir problemas de estabilidad al girar. Esto se debe a que cada pala del rotor tiene una pala exacta y opuesta que está situada 180o en la dirección opuesta. Al girar el rotor, en el momento en que la pala más alta apunta verticalmente hacia arriba (posición de las 12 en punto), la pala más baja apunta directamente hacia abajo, frente a la torre de soporte de la turbina. El resultado es que la pala más alta se dobla hacia atrás, porque recibe la máxima fuerza del viento, lo que se denomina «carga de empuje», mientras que la pala más baja pasa a la zona libre de viento justo delante de la torre de soporte.
Esta flexión desigual de las palas del rotor de las turbinas (la más alta doblada por el viento y la más baja recta) en cada alineación vertical produce fuerzas no deseadas en las palas del rotor y en el eje del rotor, ya que las dos palas se flexionan hacia adelante y hacia atrás mientras giran. Para una pequeña turbina de palas rígidas de aluminio o acero, esto puede no ser un problema, a diferencia de las palas más largas de plástico reforzado con fibra de vidrio.
Un diseño de turbina eólica que tiene un número «ODD» de palas del rotor (al menos tres palas) gira más suavemente porque las fuerzas giroscópicas y de flexión se equilibran más uniformemente entre las palas, aumentando la estabilidad de la turbina. El diseño de aerogenerador de palas impares más común es el de la turbina de tres palas. La eficiencia energética de un rotor de tres palas es ligeramente superior a la de un rotor de dos palas de tamaño similar y, debido a la pala adicional, pueden girar más despacio, reduciendo el desgaste y el ruido.
Además, para evitar las turbulencias y la interacción entre las palas contiguas, el espacio entre cada pala de un diseño multipalas y su velocidad de rotación debe ser lo suficientemente grande como para que una pala no se encuentre con el flujo de aire perturbado y más débil causado por la pala anterior que pasa por el mismo punto justo antes de ella. Debido a esta limitación, la mayoría de los aerogeneradores de tipo impar tienen un máximo de tres palas en sus rotores y, por lo general, giran a velocidades más bajas.
En general, los rotores de las turbinas de tres palas se integran mejor en el paisaje, son más atractivos desde el punto de vista estético y son más eficientes desde el punto de vista aerodinámico que los diseños de dos palas, lo que contribuye a que los aerogeneradores de tres palas dominen más el mercado de la generación de energía eólica. Aunque algunos fabricantes producen turbinas de dos y seis palas (para barcos de vela). Otras ventajas de los rotores de tres palas son un funcionamiento más suave, menos ruido y menos choques con pájaros, lo que compensa la desventaja del mayor coste de los materiales. El nivel de ruido no se ve afectado significativamente por el número de palas.
– Longitud de las palas del rotor – Hay tres factores que determinan la cantidad de energía cinética que puede extraer del viento un aerogenerador: «la densidad del aire», «la velocidad del viento» y «el área del rotor». La densidad del aire depende de la altura sobre el nivel del mar, mientras que la velocidad del viento está controlada por el clima. Sin embargo, podemos controlar el área de rotación barrida por las palas del rotor aumentando su longitud ya que el tamaño del rotor determina la cantidad de energía cinética que un aerogenerador es capaz de capturar del viento.
Las palas del rotor giran alrededor de un cojinete central formando un círculo perfecto de 360o al girar y como sabemos en la escuela, el área de un círculo viene dada por: π.r2. Por tanto, al aumentar el área de barrido del rotor, el área que cubre también aumenta con el cuadrado del radio. Así, si se duplica la longitud de las palas de un aerogenerador, se multiplica por cuatro su superficie, lo que permite recibir cuatro veces más energía eólica. Sin embargo, esto aumenta en gran medida el tamaño, el peso y, en última instancia, el coste del diseño de la turbina eólica.
Un aspecto importante de la longitud de las palas es la velocidad de giro del rotor resultante de la velocidad angular. Cuanto mayor sea la longitud de la pala de la turbina, más rápida será la rotación de la punta para una determinada velocidad del viento. Del mismo modo, para una determinada longitud de las palas del rotor, cuanto mayor sea la velocidad del viento, más rápida será la rotación. Entonces, ¿por qué no podemos tener un diseño de turbina eólica con palas de rotor muy largas que funcione en un entorno ventoso y produzca mucha electricidad gratuita a partir del viento? La respuesta es que llega un punto en el que la longitud de las palas del rotor y la velocidad del viento reducen el rendimiento de la turbina. Por eso, muchos diseños de aerogeneradores más grandes giran a velocidades mucho más bajas.
La eficiencia es una función de la rapidez con la que gira la punta del rotor para una velocidad del viento determinada, produciendo una relación constante entre la velocidad del viento y la punta, llamada «relación de velocidad de la punta» ( λ ), que es una unidad adimensional utilizada para maximizar la eficiencia del rotor. En otras palabras, la «relación de velocidad de punta» (TSR) es la relación entre la velocidad de la punta de las palas giratorias en rpm y la velocidad del viento en mph, y un buen diseño de turbina eólica determinará la potencia del rotor para cualquier combinación de viento y velocidad del rotor. Cuanto mayor sea esta relación, más rápida será la rotación del rotor del aerogenerador a una velocidad de viento determinada. La velocidad del eje a la que se fija el rotor se expresa en revoluciones por minuto (rpm) y depende de la velocidad de punta y del diámetro de las palas de la turbina.
La velocidad de rotación de una turbina se define como: rpm = velocidad del viento x ratio de velocidad de punta x 60 / (diámetro x π).
Si el rotor de una turbina gira demasiado despacio, deja pasar demasiado viento sin perturbarlo y, por tanto, no extrae toda la energía que podría. Por otro lado, si la pala del rotor gira demasiado rápido, el viento la percibe como un gran disco circular plano en rotación, lo que crea grandes cantidades de resistencia y pérdidas en la punta que ralentizan el rotor. Por lo tanto, es importante adaptar la velocidad de rotación del rotor de la turbina a una determinada velocidad del viento para obtener una eficiencia óptima.
Los rotores de las turbinas con menos palas alcanzan su máxima eficiencia con relaciones de velocidad de punta más altas y, por lo general, los diseños de turbinas eólicas de tres palas para generación eléctrica tienen una relación de velocidad de punta de entre 6 y 8, pero funcionarán más suavemente porque tienen tres palas. Por otro lado, las turbinas utilizadas para aplicaciones de bombeo de agua tienen una relación de velocidad de punta más baja, de entre 1,5 y 2, ya que están especialmente diseñadas para la generación de un par elevado a bajas velocidades.
– Paso/Ángulo de las palas del rotor: las palas de los rotores de los aerogeneradores de diseño fijo no suelen ser rectas o planas, como las alas de los aviones, sino que tienen una pequeña torsión y conicidad a lo largo de su longitud, desde la punta hasta la raíz, para permitir las diferentes velocidades de rotación a lo largo de la pala. Esta torsión permite a la pala absorber la energía del viento cuando éste llega desde diferentes ángulos tangenciales y no sólo en línea recta. Una pala del rotor recta o plana dejará de dar sustentación e incluso puede detenerse (calarse), si la pala del rotor es golpeada por el viento en diferentes ángulos, llamados «ángulo de ataque», especialmente si este ángulo de ataque es demasiado pronunciado.
Por lo tanto, para mantener la pala del rotor viendo un ángulo de ataque óptimo aumentando la sustentación y la eficiencia, las palas de diseño de los aerogeneradores están generalmente torcidas a lo largo de la longitud de la pala. Además, esta torsión en el diseño del aerogenerador evita que las palas del rotor giren demasiado rápido a altas velocidades del viento.
Sin embargo, para los diseños de aerogeneradores a muy gran escala utilizados para la generación de energía eléctrica, esta torsión de las palas puede hacer que su construcción sea muy complicada y costosa, por lo que se utiliza alguna otra forma de control aerodinámico para mantener el ángulo de ataque de las palas perfectamente alineado con la dirección del viento.
La potencia aerodinámica producida por el aerogenerador puede controlarse ajustando el ángulo de paso del aerogenerador en relación con el ángulo de ataque del viento a medida que cada pala gira sobre su eje longitudinal. En ese caso, las palas del rotor con control de cabeceo pueden ser más planas y rectas, pero generalmente estas grandes palas tienen una torsión similar en su geometría pero mucho más pequeña para optimizar la carga tangencial en la pala del rotor.
Cada pala del rotor tiene un mecanismo de torsión rotacional, pasivo o dinámico incorporado en la raíz de la pala, que produce un control de cabeceo incremental uniforme a lo largo de su longitud (torsión constante). La cantidad de cabeceo requerida es sólo de unos pocos grados, ya que pequeños cambios en el ángulo de cabeceo pueden tener un efecto dramático en la producción de energía, ya que sabemos por el tutorial anterior que la energía contenida en el viento es proporcional al cubo de la velocidad del viento.
Una de las principales ventajas del control del cabeceo de las palas del rotor es el aumento de la ventana de velocidad del viento. Un ángulo de paso positivo produce un gran par de arranque cuando el rotor comienza a girar disminuyendo su velocidad de corte del viento. Asimismo, a altas velocidades de viento, cuando se alcanza el límite de velocidad máxima de los rotores, se puede controlar el paso para evitar que las revoluciones de los rotores superen su límite, reduciendo su eficiencia y su ángulo de ataque.
La regulación de la potencia de un aerogenerador puede lograrse utilizando el control del paso de las palas del rotor para reducir o aumentar la fuerza de sustentación de las palas mediante el control del ángulo de ataque. Las palas más pequeñas lo consiguen incorporando un pequeño giro en su diseño. Los aerogeneradores comerciales de mayor tamaño utilizan el control de cabeceo de forma pasiva, con la ayuda de resortes centrífugos y palancas (similar a los rotores de los helicópteros), o de forma activa, utilizando pequeños motores eléctricos integrados en el buje de las palas para hacerlas girar los pocos grados necesarios. Las principales desventajas del control de cabeceo son la fiabilidad y el coste.
– Construcción de las palas: la energía cinética extraída del viento está influenciada por la geometría de las palas del rotor y es importante determinar la forma y el diseño aerodinámicos óptimos de las palas. Pero además del diseño aerodinámico de la pala del rotor, el diseño estructural es igualmente importante. El diseño estructural consiste en la selección del material de la pala y su resistencia, ya que las palas se flexionan y doblan por la energía del viento mientras giran.
Obviamente, el material de construcción ideal para una pala de rotor combinaría las propiedades estructurales necesarias de alta relación resistencia-peso, alta vida de fatiga, rigidez, su frecuencia de vibración natural y resistencia a la fatiga junto con un bajo coste y la capacidad de ser fácilmente formado en la forma aerodinámica deseada.
Las palas del rotor de las turbinas más pequeñas utilizadas en aplicaciones residenciales, cuyo tamaño oscila entre los 100 vatios y más, suelen estar hechas de madera maciza tallada, laminados de madera o compuestos de chapa de madera, así como de aluminio o acero. Las palas de madera son fuertes, ligeras, baratas, flexibles y populares en la mayoría de los diseños de aerogeneradores de bricolaje, ya que pueden fabricarse fácilmente. Sin embargo, la escasa resistencia de los laminados de madera en comparación con otros materiales de madera los hace inadecuados para palas con diseños delgados que funcionan a altas velocidades de punta.
Las palas de aluminio también son ligeras, fuertes y fáciles de trabajar, pero son más caras, se doblan fácilmente y sufren la fatiga del metal. Del mismo modo, las palas de acero utilizan el material más barato y pueden ser formadas y moldeadas en paneles curvos siguiendo el perfil aerodinámico requerido. Sin embargo, es mucho más difícil introducir una torsión en los paneles de acero, y junto con las malas propiedades de fatiga, lo que significa que se oxida, significa que el acero se utiliza raramente.
Las palas del rotor utilizadas para el diseño de turbinas eólicas de eje horizontal muy grandes están hechas de compuestos de plástico reforzado con los compuestos más comunes que consisten en resina de fibra de vidrio/poliéster, fibra de vidrio/epoxi, fibra de vidrio/poliéster y compuestos de fibra de carbono. Los compuestos de fibra de vidrio y de carbono tienen una relación resistencia a la compresión/peso sustancialmente mayor que la de los demás materiales. Además, la fibra de vidrio es ligera, fuerte, barata, tiene buenas características de fatiga y puede utilizarse en diversos procesos de fabricación.
El tamaño, el tipo y la construcción del aerogenerador que pueda necesitar depende de su aplicación particular y de sus requisitos de potencia. Los diseños de aerogeneradores pequeños varían en tamaño desde 20 vatios hasta 50 kilovatios (kW), con turbinas más pequeñas o «micro» (de 20 a 500 vatios) que se utilizan en ubicaciones residenciales para una variedad de aplicaciones como la generación de energía eléctrica para cargar baterías y alimentar luces.
La energía eólica se encuentra entre las fuentes de energía renovable de más rápido crecimiento en el mundo, ya que es un recurso energético limpio y ampliamente distribuido que es abundante, tiene un coste cero de combustible y una tecnología de generación de energía sin emisiones. La mayoría de los generadores eólicos modernos disponibles hoy en día están diseñados para ser instalados y utilizados en instalaciones de tipo residencial.
Como resultado, se fabrican más pequeños y más ligeros, lo que permite montarlos rápida y fácilmente directamente en un tejado o en un poste o torre corta. La instalación de un generador de turbina más nuevo como parte de su sistema de energía eólica doméstica le permitirá reducir la mayor parte de los costes más elevados de mantenimiento e instalación de una torre de turbina más alta y más cara como lo habría hecho antes.
En el siguiente tutorial sobre energía eólica, veremos el funcionamiento y el diseño de los generadores de turbina eólica utilizados para generar electricidad como parte de un sistema de generación de energía eólica doméstica.