Energía aprovechada del viento: Parte 2
La energía eólica genera electricidad transfiriendo energía del viento a energía mecánica. El principio detrás de las turbinas eólicas es muy simple: la energía del viento hace girar dos o tres palas alrededor de un rotor. El rotor está conectado al eje, que hace girar un generador para generar electricidad. Las turbinas eólicas están montadas en una torre para capturar la energía del viento. Cuanto más altas son las aspas, más rápido y menos turbulento pueden atrapar el viento. Una turbina eólica simple consta de tres partes principales: las palas, el eje y el generador, como se muestra en la Figura 1.
Figura 1. Partes principales de una turbina eólica.
Una descripción simple de estas tres partes es la siguiente:
1. Palas: La pala actúa como barrera contra el viento. Cuando el viento obliga a la pala a moverse, parte de la energía eólica se transfiere al rotor.
2. Eje: Cuando el rotor gira, el eje también gira, lo que transfiere la energía mecánica en energía rotacional.
3. Generador: Un generador utiliza la diferencia de carga eléctrica (inducción electromagnética) para producir un cambio de voltaje.
El voltaje es análogo a la presión eléctrica, que es la fuerza que mueve la corriente eléctrica. El voltaje impulsa la corriente eléctrica (alimentación de CA) a través de las líneas eléctricas para su distribución. La electricidad generada en un parque eólico suele inyectarse a una red de transmisión de energía eléctrica. La potencia producida por una turbina eólica se puede aumentar mediante un transformador para que pueda conectarse al sistema de transmisión de alto voltaje. Cualquier excedente de energía se puede vender a la empresa de servicios públicos.
Impacto de la altura de la torre
Dado que la potencia del viento es proporcional al cubo de la velocidad del viento, incluso pequeños aumentos en la velocidad del viento pueden ser significativos. Un método para obtener velocidades de viento más altas es montar la turbina en una torre más alta. En los primeros cientos de metros sobre el suelo, la velocidad del viento se ve afectada por la fricción que experimenta el aire a medida que se mueve por la superficie terrestre. Esta fricción se debe a edificios, bosques y otras estructuras. Superficies como el océano ofrecen mucha menos resistencia al viento.
Aerodinámica de las turbinas eólicas
Cuando se transfiere una fuerza de un objeto a otro, el segundo objeto se moverá en la misma dirección que el primero. Sin embargo, cuando un objeto sólido transfiere fuerza o energía a un líquido, la reacción es diferente. Se crean dos fuerzas llamadas «arrastre» y «levantamiento» (Figura 2). Las fuerzas de «arrastre» y «levantamiento» dependen de la forma del objeto, las velocidades, la dirección del movimiento y la densidad del sólido y el fluido. En el caso de los aerogeneradores, el objeto sólido es la pala y el fluido es el aire.
Figura 2. Fuerzas de elevación y arrastre.
Estimación de la energía de las turbinas eólicas
La cantidad de energía eólica que se puede capturar y convertir en electricidad depende de muchos factores, como la construcción de la máquina (rotor, generador, torre y controles), el terreno (topografía, rugosidad de la superficie y obstrucciones) y el régimen del viento (velocidad, oportunidad y previsibilidad). Unos sencillos cálculos pueden ayudarle a obtener una buena estimación de energía; sin embargo, se requieren cálculos más exhaustivos del rendimiento de las turbinas eólicas para obtener una estimación más precisa de la producción de energía. La potencia de salida de una turbina eólica varía con la velocidad del viento y cada fabricante de turbinas tiene una curva de potencia de velocidad del viento. En la Figura 3 se muestra un ejemplo de curva de potencia de velocidad del viento.
Figura 3. Ejemplo de curva de potencia y velocidad del viento.
Factor de capacidad
Se puede calcular una estimación aproximada de la producción de energía anual de un parque eólico utilizando la suma de las potencias nominales de las turbinas eólicas multiplicadas por el total de horas en un año. El factor de capacidad (CF) es la relación entre la productividad real en un año y el máximo teórico, que suele ser del 20 al 40%. El número de megavatios-hora (MWh) se puede calcular mediante la siguiente ecuación:
Por ejemplo, una turbina de 1 megavatio con un factor de capacidad del 35% no producirá 8.760 megavatios-hora en un año (1 x 24 x 365), sino sólo 0,35 x 24 x 365 = 3.066 MWh, con una media de 0,35 MW. . Hay datos disponibles para ubicaciones globales específicas, y esto se puede utilizar para calcular la producción anual.
Cantidad de energía y potencia en el viento
Figura 4. Masa de viento moviéndose a cierta velocidad.
Si tiene una masa, m, de aire que se mueve a una velocidad V, su energía cinética (KE) se puede expresar mediante una relación ilustrada en la Figura 4:
donde m es la masa en kilogramos y V es la velocidad en metros por segundo (m/s). Multiplicando un volumen de aire por la densidad del aire, ρ, (que es 1,2256 kg/m3), la masa de aire que fluye a través de un volumen por segundo se puede expresar como:
El caudal másico, m, a través de un área, A, es el producto de la densidad del aire, ρ, la velocidad, V, y el área de la sección transversal, A, se puede expresar matemáticamente como:
Sustituir m en la ecuación 2 anterior nos da una relación importante:
donde P es la potencia del viento (vatios), ρ es la densidad del aire (kg/m3) (a 15 °C y 1 atm, ρ = 1,225 kg/m3); A es el área de la sección transversal por donde pasa el viento (m2); y V es la velocidad del viento normal a A (m/s) (una conversión útil: 1 m/s = 2,237 millas por hora (mph)).
Dado que la energía eólica aumenta con el cubo de la velocidad del viento, duplicar el viento aumenta ocho veces la potencia. Muchas turbinas eólicas se apagan automáticamente cuando el viento es lento. La ecuación 5 muestra que la energía eólica es proporcional al área barrida del rotor de la turbina y al diámetro de las palas. Duplicar el diámetro aumenta la potencia disponible por un factor de cuatro. La potencia obtenida de un aerogenerador también está relacionada con la densidad del aire. En elevaciones más altas, como zonas montañosas, la densidad del aire es menor. Las densidades en los climas fríos también son un 10% más altas que las de las regiones tropicales. La consideración de estos factores ayuda a explicar las economías de escala con turbinas eólicas más grandes.
Conclusión
La energía eólica aprovecha el movimiento del viento para proporcionar energía cinética. Las tres partes principales de una turbina eólica son las palas, el eje y el generador. La energía cinética del viento es captada por las palas de la turbina mientras se mueve. El movimiento de las palas hace girar un eje, que conduce a un generador. La energía eólica se puede predecir utilizando diferentes metodologías, pero las estimaciones a menudo consideran la altura de la torre, la masa de aire, la velocidad del viento y las dimensiones del rotor y las palas. Se puede obtener energía a gran escala (del tamaño de un megavatio) a partir de grandes parques eólicos o integrando una turbina eólica con un electrolizador y una celda de combustible como parte de un sistema de energía híbrido. La energía eólica es muy ventajosa para proporcionar energía renovable y se prevé que sea uno de los mayores contribuyentes al suministro de energía en el futuro.
