Hidrogenia

Energía aprovechada del viento: Parte I

¡Imagínese que algo que no puede ver puede tener suficiente movimiento para aprovechar la energía!
Desde una perspectiva científica, el aire es como cualquier otro fluido: si se puede mover con fuerza, el movimiento proporciona energía cinética. En una turbina eólica, las palas de la turbina captan la energía cinética del viento. La energía eólica capturada mueve las palas, que hacen girar un eje conectado a un generador. De esta forma, la energía rotacional se convierte en energía eléctrica. La energía eólica genera electricidad transfiriendo energía de un medio a otro. Las turbinas eólicas típicas se muestran en la Figura 1.
Figura 1. Campo de Aerogeneradores.
Cuando el aire se calienta, el aire más caliente sube rápidamente ya que un volumen de aire caliente es más ligero que un volumen igual de aire más frío. Las partículas de aire más calientes exhiben una presión más alta que las partículas más frías; por lo tanto, se necesitan menos partículas para mantener la misma presión del aire. Cuando el aire caliente asciende, el aire más frío fluye hacia los espacios que deja el aire caliente, y el aire que se apresura a llenar el espacio se llama viento. El viento empuja cualquier objeto que se encuentra en su camino y, en el proceso, transfiere parte de su energía al objeto, y así es como una turbina eólica captura la energía del viento. La Figura 2 ilustra la circulación del aire debido a la temperatura.
Figura 2: Circulación de aire debido a la temperatura.
Los sistemas eólicos de la Tierra
Como sabrás, la Tierra está ligeramente inclinada a lo largo de su eje mientras viaja alrededor del Sol. Por lo tanto, diferentes partes de la Tierra reciben diferentes cantidades de sol, y la cantidad de viento que recibe un lugar varía de una posición a otra, dependiendo de su posición relativa al sol. Debido a la inclinación de la Tierra, diferentes partes de la Tierra son cálidas y frías en distintas épocas del año. Esta diferencia en el calentamiento da como resultado un sistema de convección atmosférica global, que se extiende desde la superficie de la Tierra hasta la estratosfera. En las partes de la Tierra que son cálidas, el aire se calienta y asciende hacia el cielo. El aire se mueve porque la Tierra gira y la gravedad de la Tierra impide que el aire caliente vuele hacia el espacio. La mayor parte de la energía almacenada en el viento se puede encontrar en altitudes elevadas, donde se producen vientos continuos con velocidades superiores a 160 km/h (100 mph). La energía del viento se convierte mediante la fricción en calor difuso por toda la superficie y la atmósfera de la Tierra. Por tanto, el viento se almacena como energía solar y las turbinas eólicas captan esta energía. En la Figura 3 se muestra una ilustración de la circulación global del viento.
Figura 3. Sistema global de presión y circulación del viento.
Los océanos, las montañas e incluso los edificios afectan los patrones de viento, pero los principales patrones de viento se desarrollan y se mantienen constantes porque son el resultado de gradientes de temperatura. En los mapas meteorológicos, notará que hay regiones de presión “alta” y “baja”, y estas regiones están rodeadas por contornos. Los contornos representan líneas de igual presión como se ilustra en la Figura 3.

 

Potencial teórico de la energía eólica
La energía eólica potencial disponible en la atmósfera es mucho mayor que el consumo energético mundial actual. El potencial de la energía eólica en tierra y cerca de la costa es de unos 72 teravatios (TW), lo que equivale a 54.000 millones de toneladas equivalentes de petróleo al año o cinco veces el consumo total de energía mundial. Esta estimación solo considera ubicaciones con velocidades medias anuales del viento ≥ 6,9 metros por segundo (m/s) a 80 metros. Se supone que seis turbinas de 1,5 MW por kilómetro cuadrado están ubicadas en aproximadamente el 13% de la superficie terrestre total del mundo, que también tendría otros usos, como la agricultura.

 

La velocidad del viento en diferentes lugares
La fuerza del viento varía y un valor promedio para un lugar no indica por sí solo cuánto viento se puede producir allí. Para determinar las velocidades del viento en un lugar, a menudo se ajusta una función de distribución de probabilidad a los datos observados, como se muestra en la Figura 4. La distribución de la velocidad del viento varía de un lugar a otro y de la época del año.
Figura 4. Distribución de probabilidad de velocidad del viento.
Dado que la energía se genera a velocidades de viento más altas, la energía puede llegar en ráfagas cortas. Por lo tanto, la energía eólica no tiene una producción tan constante como las plantas alimentadas con combustible. La energía eólica puede hacerse más consistente vinculando las tecnologías y métodos existentes para aprovechar la disminución resultante en la variabilidad promedio. También se pueden diseñar sistemas híbridos de energía renovable (sistemas solares, de pilas de combustible y electrolizadores) para reducir los períodos de energía intermitente. Si se conoce o se puede estimar la velocidad media anual del viento en un sitio, se puede calcular una estimación inicial aproximada de la producción utilizando la siguiente ecuación: producción anual de electricidad = kv3at, donde k = 3,2 y es un factor basado en el rendimiento típico de la turbina. características, v es la velocidad media anual del viento del sitio (m/s), a es el área barrida de la turbina (m2) y t es el número de turbinas. Esta fórmula debe usarse con precaución porque se basa en las características promedio de las turbinas eólicas disponibles y asume una velocidad del viento media anual y una frecuencia de velocidades del viento.
Parques eólicos
En lugares con fuertes vientos, se pueden instalar varias turbinas en un parque eólico. La ventaja de los parques eólicos incluye costos reducidos de desarrollo del sitio, acceso centralizado y fácil conexión a las líneas de transmisión. La Figura 5 muestra la electrólisis eólica producida centralmente o distribuida en el punto de uso. Los aerogeneradores no pueden ubicarse demasiado juntos porque interferirán con la cantidad de viento que recibe cada uno. La energía eólica es muy ventajosa para proporcionar energía renovable y está destinada a ser uno de los mayores contribuyentes al suministro de energía en el futuro.
Figura 5. Ejemplos de electrólisis eólica producida centralmente o distribuida.
Conclusión
La energía eólica aprovecha el movimiento del viento para proporcionar energía cinética. Al considerar la energía eólica, se debe considerar la velocidad del viento promedio, máxima y mínima en cada ubicación. Se puede obtener energía a escala de servicios públicos (del tamaño de un megavatio) a partir de grandes parques eólicos o integrando una turbina eólica con energía solar o un electrolizador/pila 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.
Publicado por la Dra. Colleen Spiegel
La Dra. Colleen Spiegel es consultora en redacción técnica y modelos matemáticos (presidenta de SEMSCIO) y profesora con un doctorado. y una maestría en Ingeniería. Tiene diecisiete años de experiencia en ingeniería, estadística, ciencia de datos, investigación y redacción técnica para muchas empresas como consultora, empleada y propietaria de un negocio independiente. Es autora de «Diseño y construcción de pilas de combustible» (McGraw-Hill, 2007) y «Modelado y simulación de pilas de combustible PEM utilizando MATLAB» (Elsevier Science, 2008). Anteriormente fue propietaria de Clean Fuel Cell Energy, LLC, que era una organización de pilas de combustible que prestaba servicios a científicos, ingenieros y profesores de todo el mundo.