Principio de operación de máquinas eólicas
La función de las turbinas eólicas es transformar la energía cinética con la que viene el aire en un flujo en energía mecánica, para poder volver a transformarla en energía eléctrica y así distribuirla para su utilización en diferentes procesos. Hay dos tipos principales de turbinas eólicas: las de eje horizontal, es decir, cuyo eje de rotación es paralelo a la dirección del viento, y las de eje vertical, es decir, cuyo eje de rotación es perpendicular a la dirección del viento. [2]
Todos estos tipos de turbinas utilizan aparatos llamados palas o aspas para captar la energía. Éstas están unidas al eje de rotación mediante un elemento denominado cubo. El conjunto de estos elementos se conoce como rotor y es el encargado de girar cuando recibe una corriente de aire para generar energía. [2]
Las turbinas eólicas utilizan un principio físico llamado efecto Bernoulli que describe como una diferencia de presiones entre la cara superior y la inferior de la pala, ocasionada por un perfil inclinado y por la forma de las aspas, origina una fuerza neta distinta a cero que actúa sobre las aspas y las hace girar.[2]
Este fenómeno se ve explicado en la siguiente imagen:
Imagen 1: Principio Bernoulli – https://hernanleon1002.files.wordpress.com/2014/10/ala-de-avion1.gif
La fuerza ejercida sobre las aspas se puede proyectar sobre los ejes paralelo y perpendicular a la dirección de flujo del aire. Las fuerzas que se obtienen son llamadas fuerza de sustentación, que es perpendicular a la dirección del viento, y fuerza de arrastre, que es paralela a la dirección del viento. Dado que las turbinas generalmente se basan en la captación de una de estas fuerzas, se debe construir la pala para maximizar la necesaria y minimizar la otra, de modo que no se esté ejerciendo una fuerza de alta magnitud que no esté siendo usada. [2]
La mayor parte de las turbinas eólicas actuales funcionan transformando la energía de sustentación en energía mecánica, ya que es más sencilla de explotar y permite extraer más energía por un menor costo. Por esto, adelante se examinan en mayor profundidad las turbinas que aprovechan esta fuerza.[2]
La pala se tiene que construir para maximizar la fuerza de sustentación y minimizar la de arrastre, y que ésta provoca desgastes en la turbina. Para esto hay que considerar la forma del aspa y principalmente el ángulo de ataque, α, como se puede observar en la siguiente imagen. Esto se debe a que con un α muy bajo no se produce una fuerza significativa, pero con un α muy alto se producen turbulencias que disminuyen la fuerza de sustentación.[2]
Imagen 2: Efecto Coanda – http://s9.postimg.org/m55htxfqn/1s1s.png
Este análisis anterior corresponde a una situación de reposo del rotor. Cuando éste empieza a moverse, no solo hay que considerar el viento real que hay en dicho momento, sino también el viento generado por el girar del rotor. Éste viento es conocido como viento inducido.[2]
El viento resultante de considerar ambos tipos de viento se conoce como viento aparente y se ve ilustrado en la siguiente imagen:
Imagen 3: Viento real y aparente – http://www.witblits.eu/fc/files/2013/04/ApparentWind-copy-copy.jpg
Dado que las aspas poseen dos secciones, y que cada una de éstas presenta una velocidad distinta, el viento aparente para cada cara también será distinto. Por esto, las palas deberían poseer un ángulo de ataque que cambia a lo largo de su longitud. Es así como se logra una fuerza resultante igual en el extremo del aspa que en el resto, a pesar de poseer un perfil más reducido. La velocidad que tiene es mayor que la del resto del aspa.[2]
Ventajas y Desventajas de las Turbinas Eólicas
Las turbinas eólicas presentan a la vez ventajas y desventajas sobre otros sistemas de generación de energía. Primero explicaremos las ventajas que presenta. A diferencia de las energías basadas en combustibles fósiles, la energía eólica es inagotable o renovable, por lo que presenta un recurso mucho más confiable en cuanto a continuidad en el tiempo. La explotación de la energía eólica presenta una contaminación del ambiente en la etapa de construcción de las turbinas, pero esto es ínfimo en comparación con otros tipos de captación de energía para su uso eléctrico. Asimismo, el suelo y el agua se ven contaminados mucho más significativamente frente a otros procesos de generación eléctrica. [7]
En general, utilizar energías no renovables supone una producción bastante significativa de desechos sólidos. En cambio, las turbinas eólicas no presentan estos desechos. Las turbinas eólicas presentan una ocupación mínima del suelo en el que se instalan. La base de las turbinas, en la mayoría de los casos, es bastante más reducida que el rotor de las mismas, por lo que aún teniendo turbinas en un sector se puede utilizar el suelo a sus al rededores.
Por el otro lado, las turbinas no constituyen una fuente continua de energía, debido a la variabilidad y discontinuidad de los vientos. Éstas no pueden ser puestas en cuaquier ubicación, debido a que el sitio debe presentar condiciones óptimas en cuanto a la constancia del viento que se presenta. Las turbinas producen bastante ruido, por lo que podrían ser una molestia para poblaciones cercanas o para personas que trabajan en sus cercanías. Las turbinas eólicas son más caras en cuanto a potencia generada que los métodos tradicionales de generación eléctrica. [1]
Eficiencia Energética
La energía encontrada en el viento que se extrae del mismo para generar energía en las turbinas eólicas es energía cinética. Esta energía se encuentra con la siguiente fórmula:
PW = (mWV2)/2 [10]
Dado que la masa del flujo de aire se encuentra de la siguiente forma:
mW = ρAV [10]
la fórmula para la energía del viento quedará de la siguiente forma:
PW = (ρAV3)/2 [10]
Considerando que no se puede extraer toda la energía cinética del viento, ya que no habría un flujo y se empezaría a acumular, podemos expresar la masa del flujo como ρA(Vi + V0)/2, con Vi la velocidad de entrada y V0 la velocidad de salida, dado que (Vi + V0)/2 será la velocidad promedio del viento en el flujo. Además, la energía cinética extraída del viento será igual a mW(Vi2 – V02)/2, por lo que nuestra expresión para la energía extraída del flujo de aire quedará como sigue: [10]
Pout = (ρA/4)(Vi + V0)(Vi2 – V02) [10]
Al maximizar esta función, obtenemos que la razón entre Vi y V0 para la cual Pout es máxima es (V0/Vi) = ⅓ [10]
Para esta razón, la energía extraída del flujo será:
Pout = (16/27)PW = 0.593PW [10]
Ésta eficiencia máxima a la que se puede aspirar es conocida como el límite de Betz. En cuanto a la eficiencia de una turbina se pueden encontrar tres principales fuentes de ineficiencias que se explican a continuación. La primera es la eficiencia con que se convierte la energía del flujo en energía mecánica, cP. La segunda es la eficiencia con que se transmite esta energía mecánica al generador, ηm. La tercera es la eficiencia con que se convierte la energía mecánica en electricidad, ηg. [10] Luego, la energía generada será:
Pe = cPηmηgPW [10]
Algunos valores muy optimistas para estas eficiencias son cP = 0.45, ηm = 0.95 y ηg = 0.9. Estos valores implicarían una eficiencia de 38%. Sin embargo, los valores actuales para la eficiencia de turbinas eólicas se encuentran entre 25% y 30%. Estos valores varían además con la velocidad del viento, el tipo de turbina y varios otros factores. [10]
Cómo mejorar la eficiencia energética
Por un lado, dado que tenemos varios componentes en la turbina que disminuyen la eficiencia, podemos mejorar cada uno de estos para aumentar la eficiencia total del aparato. En primer lugar, la eficiencia con que se transforma la energía del flujo en energía mecánica es menor que la aproximación que utilizamos anteriormente. En otras palabras, es menor a 0.45. Además, vimos que el máximo hipotético para esta eficiencia es mayor a 0.59. Esto implica que hay un gran margen para crecer. Se podría mejorar este proceso, por ejemplo, adaptando las aspas en tamaño y o peso para que la razón entre velocidad de salida y velocidad de entrada del viento sea más parecida al máximo hipotético, ⅓. [10]
En segundo lugar, la eficiencia de transferencia de energía mecánica al generador también es menor que la aproximación que utilizamos anteriormente, es decir, es menor a un 0.95. En teoría, esta transmisión no puede llegar a un 1, pero puede acercarse infinitamente. Es por esto que si bien este margen no es tan significativo implica una oportunidad para eliminar una fuente de ineficiencia innecesaria. Esta ineficiencia se debe principalmente al roce entre los componentes y con el ambiente. Dicho esto, se podría utilizar agentes como fluidos que disminuyeran aún mas el roce entre componentes o simplemente utilizar menos componentes para la transmisión. [10]
En último lugar, el tercer proceso en la turbina que genera ineficiencias es la conversión entre energía mecánica en energía eléctrica. La eficiencia en este proceso es menor que la aproximación utilizada anteriormente, es decir, es menor a 0.9. La conversión se puede hacer de múltiples maneras, por lo que existen distintos tipos de generadores que realizan la conversión. Es por esto que puede ser posible crear un método para esta conversión que conserve una mayor parte de la energía al hacer la conversión. [10]
Por el otro lado, se podría eliminar alguno de los procesos que generan ineficiencias. Por ejemplo se podría crear un aparato que virtualmente suprima el proceso de transmitir la energía mecánica al generador y que se realice este proceso directamente al lado de la hélice. De esta forma, se eliminaría completamente una parte de la turbina que está disminuyendo la eficiencia de la misma. [10]
Diferencias con sistemas de agua
- El flujo en sistemas de agua es mucho más constante, es decir, se presenta todo el tiempo y la variabilidad de éste es mucho menor. [10]
- Los sistemas de agua tienen que estar aún más protegidos contra el desgaste, ya que el agua ejerce más fuerza sobre el armazón y además trae consigo minerales, sales, etc. que oxidan y desgastan el aparato. [10]
- La ubicación que pueden tener los sistemas de agua es aún más restringida, ya que debe haber una corriente de agua suficientemente potente como para generar una cierta cantidad de energía. [10]
Proyecciones a futuro
Hoy en día se espera que la industrial eólica vaya al alza en los siguientes años. El crecimiento exponencial que ha tenido esta industria los últimos 30 años da evidencias del pronostico que se tiene sobre esta industria. Sin embargo, es muy difícil realizar cálculos previos de la energía que se espera producir a futuro a partir del recurso eólico, ya que es muy difícil predecir el comportamiento de los vientos en nuestro planeta. [7]
De todas formas la industria pretende seguir avanzado tecnológicamente. Si hace algunos años se empezaron a desarrollar turbinas con mayor diámetro del rotor y a grandes alturas para aprovechar de mejor forma la velocidad de los vientos, hoy en día se está potenciando el aprovechar las zonas con bajas velocidades de los vientos, volviendo mas viable la obtención de energía por este medio. Lo principal es aumentar la eficiencia de las turbinas lo más posible y a la vez disminuir su costo significativamente para poder ser instaladas globalmente como un método para generar energía renovable. [7]
Además se esta buscando el desarrollo de turbinas de viento inteligentes. Actualmente las turbinas mas avanzadas son de velocidad variables con transistor bipolar de entrada aislada, que permiten la variación de hasta un 40% de las rpm del rotor. Aun no ha sido posible el desarrollo de turbinas que permitan generar energía independiente de la velocidad del viento a la que estén sometidas, por lo que este es el principal desafío para los experimentados en el tema. [7]
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