miniaturadeimagen|300px|Esquema de una turbina eólica: 1. Suelo 2. Conexión a la red eléctrica (Celda de Media Tensión (MT)) 3. Torre 4. Escalera de acceso 5. Sistema de orientación (Sistema Yaw) 6. Góndola (Nacelle) 7. Generador 8. Anemómetro y Veleta 9. Acoplamiento Flexible 10. Tren de potencia 11. Pala 12. Buje (Sistema Pich) 13. Cono
Un aerogenerador es un generador eléctrico que funciona convirtiendo la energía cinética del viento en energía mecánica a través de una hélice y en energía eléctrica gracias a un alternador (generador de corriente eléctrica alterna). Sus precedentes directos son los molinos de viento que se emplean para la extracción de agua de pozos. En este caso, la energía eólica (en realidad, la energía cinética del aire en movimiento) proporciona energía mecánica a un rotor de hélice que, a través de un sistema de transmisión mecánico, hace girar un generador, normalmente un alternador trifásico, que convierte la energía mecánica rotacional en energía eléctrica. A menudo, se suelen utilizar los términos «aeroturbina» o «turbina eólica» como sinónimos de aerogenerador. No obstante, es preferible emplear el término «aerogenerador» cuando se habla de generación eléctrica, ya que las aeroturbinas o turbinas eólicas no necesariamente se utilizan para este propósito. El término «aeroturbina» también se puede utilizar para referirse específicamente a la estructura y equipamiento mecánico del aerogenerador, sin tener en cuenta el generador y la aparementa eléctrica.
Existen diferentes tipos de aerogeneradores, dependiendo de su potencia, la disposición del eje de rotación, el tipo de generador, etc.
Los aerogeneradores pueden trabajar de manera aislada o agrupados en parques eólicos o plantas de generación eólica, distanciados unos de otros, en función del impacto ambiental y de las turbulencias generadas por el movimiento de las palas.
Para aportar energía a la red eléctrica, los aerogeneradores deben estar dotados de un sistema de sincronización para que la frecuencia de la corriente generada se mantenga perfectamente sincronizada con la frecuencia de la red.
El rango de velocidad de viento necesario para la producción de electricidad y un funcionamiento seguro del aerogenerador, se sitúa entre los 3m/s y los 19,8m/s. Si la velocidad del viento es inferior a los 3m/s el aerogenerador no genera energía eléctrica. Si la velocidad del viento es superior a su velocidad de corte y las palas del aerogenerador giran demasiado rápido, se detiene para evitar accidentes y daños en sus componentes.
Ya durante la primera mitad del sigloXX, la generación de energía eléctrica con rotores eólicos fue bastante popular en casas aisladas situadas en zonas rurales.
La energía eólica se está volviendo más popular en la actualidad, al haber demostrado la viabilidad industrial, y nació como búsqueda de una diversificación en el abanico de generación eléctrica ante un crecimiento de la demanda y una situación geopolítica cada vez más complicada en el ámbito de los combustibles tradicionales.
Energía eólica
izquierda|miniaturadeimagen|320px|Parque eólico de ultramar de Thorntonbank en la costa belga, Mar del Norte. El factor de planta de los parques eólicos varía entre el 20 y 40%. izquierda|miniaturadeimagen|320px|Parque eólico de Estinnes, Bélgica. Cada aerogenerador tiene una potencia de 6 o 7,5MW dependiendo del modelo.http://www.thewindpower.net/windfarm_en_11213_Belgium.php izquierda|miniaturadeimagen|320px|El parque eólico de Estinnes tiene una potencia instalada de 81MW y produce 202GWh anuales. La energía eólica es aquella que se genera gracias a la energía cinética producida por las masas de aire en movimiento. Esta energía, que sigue en proceso de desarrollo, nace como respuesta a una mayor demanda del consumo energético, la necesidad de garantizar la continuidad del suministro en zonas importadoras netas de recursos energéticos y de la búsqueda de la sostenibilidad en el uso de los recursos.
En general las mejores zonas de vientos se encuentran en la costa debido a las corrientes térmicas entre el mar y la tierra, las grandes llanuras continentales, por razones parecidas, y las zonas montañosas, donde se producen efectos de aceleración local.
Aerogeneradores de eje horizontal
miniaturadeimagen|Instalación de la torre para una aeroturbina de 3MW. miniaturadeimagen|Palas de un aerogenerador. miniaturadeimagen|Detalle del buje de una aeroturbina. miniaturadeimagen|Buje de un aerogenerador sin palas (Enercon E-70) en la isla de El Hierro. Son aquellos en los que el eje de rotación del equipo se encuentra paralelo al suelo. Esta es la tecnología que se ha impuesto, por su eficiencia y confiabilidad y la capacidad de adaptarse a diferentes potencias.
Las partes principales de un aerogenerador de eje horizontal son:
Rotor: las palas del motor, construidas principalmente con materiales compuestos, se diseñan para transformar la energía cinética del viento en un momento torsor en el eje del equipo. Los rotores modernos pueden llegar a tener un diámetro de 42 a 80metros y producir potencias equivalentes de variosMW. La velocidad de rotación está normalmente limitada por la velocidad de punta de pala, cuyo límite actual se establece por criterios acústicos. góndola o nacelle: sirve de alojamiento para los elementos mecánicos y eléctricos (multiplicadora, generador, armarios de control, etc.) del aerogenerador. Caja de engranajes o multiplicadora: puede estar presente o no dependiendo del modelo. Transforman la baja velocidad del eje del rotor en alta velocidad de rotación en el eje del generador eléctrico. Generador: existen diferentes tipos dependiendo del diseño del aerogenerador. Pueden ser síncronos o asíncronos, jaula de ardilla o doblemente alimentados, con excitación o con imanes permanentes. Lo podemos definir como la parte del aerogenerador que convierte la energía en electricidad. La torre: sitúa el generador a una mayor altura, donde los vientos son de mayor intensidad, así como para permitir el giro de las aspas, y transmite las cargas del equipo al suelo. Sistema de control: se hace cargo del funcionamiento seguro y eficiente del equipo, controla la orientación de la góndola, la posición de las palas y la potencia total entregada por el equipo. Cimientos: soportan el peso estructural del generador y transmiten al suelo las cargas de viento tanto verticales como horizontales. En función del tipo de suelo sobre el que se levanta el aerogenerador, los cimientos pueden ser de hormigón armado reforzado con acero, pilotes o zapatas extendidas.
Todos los aerogeneradores de eje horizontal tienen su eje de rotación principal en la parte superior de la torre, que tiene que orientarse hacia el viento de alguna manera. Los aerogeneradores pequeños se orientan mediante una veleta, mientras que los más grandes utilizan un sensor de dirección y se orientan por servomotores o motorreductores.
Existen dos tipologías principales de generadores eléctricos: con y sin caja multiplicadora. Los primeros funcionan a velocidades del orden de 1000-2000rpm. Dado que la velocidad de rotación de las aspas es baja (entre 8 y 30rpm), requieren el uso de una caja multiplicadora para conseguir una velocidad de rotación adecuada. Los aerogeneradores que no precisan multiplicadora se conocen como direct-drive y sus generadores se llaman habitualmente multipolo, ya que para conseguir una frecuencia elevada con una baja velocidad de giro tienen más de una decena de polos.
En la mayoría de los casos la velocidad de giro del generador está relacionada con la frecuencia de la red eléctrica a la que se vierte la energía generada (50 o 60Hz).
En general, las palas están emplazadas de tal manera que el viento, en su dirección de flujo, las encuentre antes que a la torre (rotor a barlovento). Esto disminuye las cargas adicionales que genera la turbulencia de la torre en el caso en que el rotor se ubique detrás de la misma (rotor a sotavento). Las palas se montan a una distancia razonable de la torre y tienen alta rigidez, de tal manera que al rotar y vibrar naturalmente no choquen con la torre en caso de vientos fuertes. El rotor suele estar inclinado entre 4 y 6 grados para evitar el impacto de las palas con la torre.
A pesar de la desventaja en el incremento de la turbulencia, se han construido aerogeneradores con el rotor localizado en la parte posterior de la torre, debido a que se orientan en contra del viento de manera natural, sin necesidad de usar un mecanismo de control. Sin embargo, la experiencia ha demostrado la necesidad de un sistema de orientación para orientar la máquina hacia el viento. Este tipo de montaje se justifica debido a la gran influencia que tiene la turbulencia en el desgaste de las aspas por fatiga. La mayoría de los aerogeneradores actuales son de este último modelo.
Potencia eólica
La energía cinética del aire () depende del cuadrado de la velocidad del aire () y de su densidad ():
, en julios por cada metro cúbico de aire.
La potencia (), en vatios por unidad de superficie, se puede expresar como:
Por tanto, la potencia eólica a la que estará expuesta una turbina se determina multiplicando la anterior expresión por el área de barrido de la turbina, que es el círculo que abarcan las aspas.Componentes de Turbinas Eólicas Por ejemplo, el área de barrido de una aeroturbina con un rotor de 82metros de diámetro será de 5281m².
Sin embargo, no toda la potencia del aire puede ser aprovechada por el aerogenerador. El límite de potencia que puede ser extraído está dado por el límite que estableció el físico Albert Betz. Este límite, que lleva su nombre, se deriva de la conservación de la masa y del momento de inercia del flujo de aire. El límite de Betz indica que una aeroturbina no puede aprovechar más de un 59,3% de la energía cinética del viento. El número (0.593) se le conoce como el coeficiente de Betz. Por ejemplo, si una aeroturbina de 82metros de diámetro estuviera expuesta a un viento de 15m/s con una densidad del aire de 1,28kg/m³ podría extraer, suponiendo un viento perfecto (sin turbulencias) y un rendimiento perfecto, hasta 6,76MW de energía eléctrica.
Los aerogeneradores modernos obtienen entre un 75 y un 80% del límite de Betz. Uno de los factores que más influye en que no se alcance el 100% del límite de Betz es la rugosidad del suelo. Dicha rugosidad se ve influida por la presencia de vegetación o edificaciones en el suelo, que disminuyen la velocidad del viento y aumentan las turbulencias del aire. Por ello, una mayor altura del rotor y la instalación en el mar («eólica marina») contribuyen a un mejor aprovechamiento de la energía del aire.
Control de potencia
En general, los aerogeneradores modernos de eje horizontal se diseñan para trabajar con velocidades del viento que varían entre 3 y 25m/s de promedio. La primera es la llamada velocidad de conexión y la segunda la velocidad de corte. Básicamente, el aerogenerador comienza produciendo energía eléctrica cuando la velocidad del viento supera la velocidad de conexión y, a medida que la velocidad del viento aumenta, la potencia generada es mayor, siguiendo la llamada curva de potencia.
Las aspas disponen de un sistema de control de forma que su ángulo de ataque varía en función de la velocidad del viento. Esto permite controlar la velocidad de rotación para conseguir una velocidad de rotación fija con distintas condiciones de viento.
Asimismo, es necesario un sistema de control de las velocidades de rotación para que, en caso de vientos excesivamente fuertes, que podrían poner en peligro la instalación, haga girar el rotor de tal forma que las palas presenten la mínima oposición al viento, con lo que la máquina se detendría.