A veces es difícil imaginar el aire como un fluido. Parece tan ... invisible. Pero el aire es un fluido como cualquier otro excepto que sus partículas están en forma de gas en lugar de líquido. Y cuando el aire se mueve rápidamente, en forma de viento, esas partículas se mueven rápidamente. Movimiento significa energía cinética, que se puede capturar, al igual que la energía del agua en movimiento puede ser captada por la turbina de una presa hidroeléctrica. En el caso de un turbina eólica , las palas de la turbina están diseñadas para capturar la energía cinética del viento. El resto es casi idéntico a una instalación hidroeléctrica:cuando las palas de la turbina capturan la energía eólica y comienzan a moverse, hacen girar un eje que va desde el centro del rotor hasta un generador. El generador convierte esa energía rotacional en electricidad. En su esencia, Generar electricidad a partir del viento consiste en transferir energía de un medio a otro.
La energía eólica comienza con el sol. Cuando el sol calienta una determinada zona de tierra, el aire alrededor de esa masa terrestre absorbe parte de ese calor. A cierta temperatura, ese aire más caliente comienza a subir muy rápidamente porque un volumen dado de aire caliente es más liviano que un volumen igual de aire más frío. Las partículas de aire que se mueven más rápido (más calientes) ejercen más presión que las partículas que se mueven más lentamente, por lo que se necesitan menos para mantener la presión atmosférica normal a una altura determinada (consulte Cómo funcionan los globos aerostáticos para obtener más información sobre la temperatura y la presión del aire). Cuando ese aire caliente más ligero se eleva de repente, el aire más frío fluye rápidamente para llenar el espacio que deja el aire caliente. Ese aire que se precipita para llenar el espacio es viento.
Gracias Gracias a Willy Cheng por su ayuda con este artículo.Si coloca un objeto como una pala de rotor en el camino de ese viento, el viento lo empujará, transfiriendo algo de su propia energía de movimiento a la hoja. Así es como una turbina eólica capta la energía del viento. Lo mismo ocurre con un velero. Cuando el aire en movimiento empuja la barrera de la vela, hace que el barco se mueva. El viento ha transferido su propia energía de movimiento al velero.
En la siguiente sección veremos las diferentes partes de una turbina eólica.
Contenido
La turbina de energía eólica más simple posible consta de tres partes cruciales:
Ahora que analizamos un sistema simplificado, Pasaremos a la tecnología moderna que se ve en los parques eólicos y los patios traseros rurales de hoy. Es un poco más complejo pero los principios subyacentes son los mismos.
Cuando se habla de turbinas eólicas modernas, está viendo dos diseños principales:eje horizontal y eje vertical. Aerogeneradores de eje vertical ( VAWT ) son bastante raros. La única actualmente en producción comercial es la turbina Darrieus, que parece una especie de batidor de huevos.
Foto cortesía de NREL (izquierda) y Solwind Ltd
Turbinas eólicas de eje vertical (izquierda:turbina Darrieus)
En una VAWT, el eje está montado en un eje vertical, perpendicular al suelo. Los VAWT siempre están alineados con el viento, a diferencia de sus homólogos de eje horizontal, por lo que no es necesario ningún ajuste cuando cambia la dirección del viento; pero un VAWT no puede comenzar a moverse por sí solo, necesita un impulso de su sistema eléctrico para comenzar. En lugar de una torre, Por lo general, utiliza cables de sujeción como soporte. por lo que la elevación del rotor es menor. Una elevación más baja significa viento más lento debido a la interferencia del suelo, por lo que los VAWT son generalmente menos eficientes que los HAWT. En la parte de arriba, todo el equipo está a nivel del suelo para facilitar la instalación y el servicio; pero eso significa una huella más grande para la turbina, lo cual es un gran negativo en las zonas agrícolas.
Diseño Darrieus VAWT
Los VAWT pueden usarse para turbinas de pequeña escala y para bombear agua en áreas rurales, pero todos producidos comercialmente, Las turbinas eólicas a gran escala son aerogeneradores de eje horizontal ( HAWTs ).
Foto cortesía de GNU; Fotógrafo:Kit Conn
Parque eólico en California
Como lo implica el nombre, el eje HAWT está montado horizontalmente, paralelo al suelo. Los HAWT necesitan alinearse constantemente con el viento mediante un mecanismo de ajuste de guiñada. El sistema de guiñada generalmente consta de motores eléctricos y cajas de engranajes que mueven todo el rotor hacia la izquierda o hacia la derecha en pequeños incrementos. El controlador electrónico de la turbina lee la posición de un dispositivo de veleta (ya sea mecánico o electrónico) y ajusta la posición del rotor para capturar la mayor cantidad de energía eólica disponible. Los HAWT usan una torre para elevar los componentes de la turbina a una elevación óptima para la velocidad del viento (y así las palas pueden despejar el suelo) y ocupan muy poco espacio en el suelo, ya que casi todos los componentes tienen una altura de hasta 260 pies (80 metros) en el suelo. aire.
Grandes componentes HAWT:
De principio a fin el proceso de generar electricidad a partir del viento y entregar esa electricidad a las personas que la necesitan se parece a esto:
A diferencia del antiguo diseño de molino de viento holandés, que dependía principalmente de la fuerza del viento para empujar las palas en movimiento, uso de turbinas modernas más sofisticadas aerodinámico principios para capturar la energía del viento de la manera más eficaz. Las dos fuerzas aerodinámicas principales que actúan en los rotores de las turbinas de viento son elevar , que actúa perpendicular a la dirección del flujo del viento; y arrastrar , que actúa en paralelo a la dirección del flujo del viento.
Las palas de la turbina tienen una forma muy parecida a las alas de un avión:utilizan un superficie sustentadora diseño. En un perfil aerodinámico una superficie de la hoja es algo redondeada, mientras que el otro es relativamente plano. El levantamiento es un fenómeno bastante complejo y, de hecho, puede requerir un doctorado. en matemáticas o física para comprenderlo completamente. Pero en una explicación simplificada de la elevación, cuando el viento viaja sobre el rodeado, cara de la hoja a favor del viento, tiene que moverse más rápido para llegar al final de la hoja a tiempo para encontrarse con el viento que viaja sobre la llanura, cara de la pala en contra del viento (mirando hacia la dirección desde la que sopla el viento). Dado que el aire que se mueve más rápido tiende a elevarse en la atmósfera, el viento a favor, La superficie curva termina con un bolsillo de baja presión justo encima. El área de baja presión succiona la pala en la dirección del viento, un efecto conocido como "elevación". En el lado de barlovento de la hoja, el viento se mueve más lento y crea un área de mayor presión que empuja la hoja, tratando de frenarlo. Como en el diseño de un ala de avión, Una alta relación entre sustentación y arrastre es esencial para diseñar una pala de turbina eficiente. Las palas de la turbina están torcidas para que siempre presenten un ángulo que aproveche la relación ideal de fuerza de elevación y arrastre. Vea cómo funcionan los aviones para obtener más información sobre la elevación, arrastre y la aerodinámica de un perfil aerodinámico.
La aerodinámica no es la única consideración de diseño que interviene en la creación de una turbina eólica eficaz. Tamaño importa:cuanto más largas sean las palas de la turbina (y, por lo tanto, mayor será el diámetro del rotor), cuanta más energía pueda captar una turbina del viento y mayor sea la capacidad de generación de electricidad. Generalmente hablando, duplicar el diámetro del rotor produce un aumento de cuatro veces en la producción de energía. En algunos casos, sin embargo, en una zona de menor velocidad del viento, Un rotor de diámetro más pequeño puede terminar produciendo más energía que un rotor más grande porque con una configuración más pequeña, se necesita menos energía eólica para hacer girar el generador más pequeño, por lo que la turbina puede funcionar a plena capacidad casi todo el tiempo. Altura de la torre es un factor importante en la capacidad de producción, así como. Cuanto más alta sea la turbina, cuanta más energía puede capturar porque la velocidad del viento aumenta con el aumento de la elevación:la fricción del suelo y los objetos a nivel del suelo interrumpen el flujo del viento. Los científicos estiman un aumento del 12 por ciento en la velocidad del viento con cada duplicación de la elevación.
Para calcular la cantidad de energía que una turbina puede generar realmente a partir del viento, necesita conocer la velocidad del viento en el sitio de la turbina y la potencia nominal de la turbina. La mayoría de las grandes turbinas producen su potencia máxima a velocidades de viento de alrededor de 15 metros por segundo (33 mph). Considerando velocidades constantes del viento, es el diámetro del rotor lo que determina cuánta energía puede generar una turbina. Tenga en cuenta que a medida que aumenta el diámetro del rotor, la altura de la torre también aumenta, lo que significa más acceso a vientos más rápidos.
Tamaño del rotor y potencia máxima de salida
A 33 mph, la mayoría de las grandes turbinas generan su capacidad de potencia nominal, y a 45 mph (20 metros por segundo), la mayoría de las grandes turbinas se apagan. Hay una serie de sistemas de seguridad que puede apagar una turbina si la velocidad del viento amenaza la estructura, Incluyendo un sensor de vibración notablemente simple utilizado en algunas turbinas que básicamente consiste en una bola de metal unida a una cadena, sobre un pedestal diminuto. Si la turbina comienza a vibrar por encima de cierto umbral, la pelota se cae del pedestal, tirando de la cadena y provocando un apagado.
Probablemente el sistema de seguridad más comúnmente activado en una turbina es el "sistema de frenado , que se activa por velocidades del viento por encima del umbral. Estas configuraciones utilizan un sistema de control de potencia que esencialmente frena cuando la velocidad del viento es demasiado alta y luego "suelta los frenos" cuando el viento está por debajo de las 45 mph. Los diseños modernos de turbinas grandes utilizan varios tipos diferentes de sistemas de frenado:
(Consulte Aerodinámica básica de Petester para obtener una buena explicación tanto de la sustentación como de la inmovilidad).
Globalmente al menos 50, 000 aerogeneradores están produciendo un total de 50 mil millones de kilovatios-hora (kWh) al año. En la siguiente sección, Examinaremos la disponibilidad de recursos eólicos y cuánta electricidad pueden producir realmente las turbinas eólicas.
En una escala global, Las turbinas eólicas generan actualmente tanta electricidad como ocho grandes centrales nucleares. Eso incluye no solo las turbinas a escala de servicios públicos, pero también pequeñas turbinas que generan electricidad para hogares o negocios individuales (a veces se utilizan junto con energía solar fotovoltaica). Un pequeño La turbina de 10 kW de capacidad puede generar hasta 16, 000 kWh por año, y un hogar típico de EE. UU. consume alrededor de 10, 000 kWh en un año.
Una turbina eólica grande típica puede generar hasta 1,8 MW de electricidad, o 5,2 millones de KWh anuales, en condiciones ideales, suficiente para alimentar a casi 600 hogares. Todavía, Las plantas de energía nuclear y de carbón pueden producir electricidad más barata que las turbinas eólicas. Entonces, ¿por qué utilizar la energía eólica? Las dos principales razones para utilizar el viento para generar electricidad son las más obvias:la energía eólica es limpio , y es renovable . No libera gases nocivos como CO2 y óxidos de nitrógeno a la atmósfera como lo hace el carbón (consulte Cómo funciona el calentamiento global), y no corremos peligro de quedarnos sin viento en el corto plazo. También está la independencia asociada a la energía eólica, ya que cualquier país puede generarlo en casa sin apoyo externo. Y una turbina eólica puede llevar electricidad a áreas remotas no abastecidas por la red eléctrica central.
Pero hay desventajas también. Las turbinas eólicas no siempre pueden funcionar al 100 por ciento de potencia como muchos otros tipos de plantas de energía, ya que la velocidad del viento fluctúa. Las turbinas eólicas pueden ser ruidosas si vive cerca de una planta eólica, pueden ser peligrosos para pájaros y murciélagos, y en áreas desérticas compactas existe el riesgo de erosión de la tierra si excava el suelo para instalar turbinas. También, Dado que el viento es una fuente de energía relativamente poco fiable, Los operadores de plantas de energía eólica deben respaldar el sistema con una pequeña cantidad de energía no renovable para épocas en las que la velocidad del viento disminuye. Algunos argumentan que el uso de energía no limpia para apoyar la producción de energía limpia anula los beneficios, pero la industria eólica afirma que la cantidad de energía no limpia que es necesaria para mantener un suministro constante de electricidad en un sistema eólico es demasiado pequeña para anular los beneficios de generar energía eólica.
Dejando a un lado las posibles desventajas, Estados Unidos tiene un buen número de aerogeneradores instalados, totalizando más de 9, 000 MW de capacidad de generación en 2006. Esa capacidad genera en el área de 25 mil millones de kWhof de electricidad, lo que parece mucho, pero en realidad es menos del 1 por ciento de la energía generada en el país cada año. A partir de 2005, La generación de electricidad de EE. UU. Se descompone así:
Fuente:Asociación Estadounidense de Energía Eólica
La generación total de electricidad actual en los Estados Unidos está en el área de 3.6 billones de kWh cada año. El viento tiene el potencial de generar más del 1 por ciento de esa electricidad. Según la American WindEnergy Association, el potencial estimado de energía eólica en los EE. UU. es de aproximadamente 10,8 billones de kWh por año, aproximadamente igual a la cantidad de energía en 20 mil millones de barriles de petróleo (el suministro mundial anual de petróleo actual). Para hacer factible la energía eólica en un área determinada, Requiere velocidades de viento mínimas de 9 mph (3 metros por segundo) para turbinas pequeñas y 13 mph (6 metros por segundo) para turbinas grandes. Esas velocidades del viento son comunes en los Estados Unidos, aunque la mayor parte está desabrochada.
Cuando se trata de turbinas eólicas, la ubicación lo es todo. Sabiendo cuánto viento tiene una zona, cuáles son las velocidades y cuánto duran esas velocidades son los factores decisivos cruciales en la construcción de un parque eólico eficiente. La energía cinética del viento aumenta exponencialmente en proporción a su velocidad, por lo que un pequeño aumento en la velocidad del viento es de hecho un gran aumento en el potencial de energía. La regla general es que al duplicar la velocidad del viento se produce un aumento de ocho veces en el potencial de potencia. una turbina en un área con una velocidad promedio del viento de 26 mph en realidad generará ocho veces más electricidad que una instalada donde la velocidad del viento promedio sea de 13 mph. Es "teóricamente" porque en las condiciones del mundo real, Hay un límite en la cantidad de energía que una turbina puede extraer del viento. Se llama límite de Betz, y es aproximadamente el 59 por ciento. Pero un pequeño aumento en la velocidad del viento aún conduce a un aumento significativo en la producción de energía.
Como en la mayoría de las otras áreas de producción de energía, cuando se trata de captar energía del viento, la eficiencia viene en grandes cantidades. Grupos de grandes turbinas, llamado parques eólicos o plantas eólicas, son el uso más rentable de la capacidad de energía eólica. Las turbinas eólicas a escala de servicios públicos más comunes tienen capacidades de energía entre 700 KW y 1.8 MW, y se agrupan para obtener la mayor cantidad de electricidad de los recursos eólicos disponibles. Por lo general, están muy espaciados en áreas rurales con altas velocidades de viento, y la pequeña huella de los HAWT significa que el uso agrícola de la tierra prácticamente no se ve afectado. Los parques eólicos tienen capacidades que van desde unos pocos MW hasta cientos de MW. La planta eólica más grande del mundo es el parque eólico Raheenleagh, ubicado frente a la costa de Irlanda. A plena capacidad (actualmente está funcionando a capacidad parcial), tendrá 200 turbinas, una potencia total de 520 MW y su construcción costó casi $ 600 millones.
El costo de la energía eólica a escala de servicios públicos se ha reducido drásticamente en las últimas dos décadas debido a los avances tecnológicos y de diseño en la producción e instalación de turbinas. A principios de la década de 1980, la energía eólica cuesta alrededor de 30 centavos por kWh. En 2006, la energía eólica cuesta entre 3 y 5 centavos por kWh donde el viento es especialmente abundante. Cuanto mayor sea la velocidad del viento a lo largo del tiempo en un área determinada de la turbina, menor es el costo de la electricidad que produce la turbina. De media, el costo de la energía eólica es de aproximadamente 4 a 10 centavos por kWh en los Estados Unidos.
Comparación de costos de energíaMuchas grandes empresas de energía ofrecen " precios ecológicos "programas que permiten a los clientes pagar más por kWh para utilizar la energía eólica en lugar de la energía del" sistema de energía, "que es el conjunto de toda la electricidad producida en la zona, renovables y no renovables. Si elige comprar energía eólica y vive en las inmediaciones de un parque eólico, la electricidad que usa en su hogar podría ser generada por el viento; más a menudo, el precio más alto que paga se destina a cubrir el costo de la energía eólica, pero la electricidad que usa en su hogar aún proviene de la energía del sistema. En los estados donde se ha desregulado el mercado de la energía, los consumidores pueden comprar "electricidad verde" directamente de un proveedor de energía renovable, en cuyo caso, la electricidad que utilizan en sus hogares definitivamente proviene del viento u otras fuentes renovables.
Implementar un pequeño sistema de turbina eólica para sus propias necesidades es una forma de garantizar que la energía que utiliza sea limpia y renovable. Una configuración de turbina residencial o comercial puede costar entre $ 5, 000 a $ 80, 000. Una instalación a gran escala cuesta mucho más. Un solo La turbina de 1.8 MW puede funcionar hasta $ 1.5 millones instalados, y eso no incluye la tierra, líneas de transmisión y otros costos de infraestructura asociados con un sistema de energía eólica. En general, los parques eólicos cuestan en el área de $ 1, 000 por kW de capacidad, por lo que un parque eólico que consta de siete turbinas de 1,8 MW cuesta alrededor de $ 12,6 millones. El "tiempo de recuperación" de una gran turbina eólica (el tiempo que se tarda en generar suficiente electricidad para compensar la energía consumida en la construcción y la instalación de la turbina) es de tres a ocho meses. según la Asociación Estadounidense de Energía Eólica.
Los incentivos gubernamentales para los productores a gran y pequeña escala contribuyen a la viabilidad económica de un sistema de energía eólica. Algunos de los programas de incentivos económicos actuales para sistemas de energía renovable incluyen:
Foto cortesía de NREL (izquierda) y stock.xchng
Turbina eólica residencial (izquierda) y turbina eólica a escala de servicios públicos
Si bien la energía eólica todavía está subvencionada por el gobierno, actualmente es un producto competitivo y, por la mayoría de las cuentas, puede sostenerse por sí solo como una fuente de energía viable. El Laboratorio Battelle Pacific Northwest, un laboratorio de ciencia y tecnología del Departamento de Energía de EE. UU. estima que la energía eólica es capaz de suministrar el 20 por ciento de la electricidad de los Estados Unidos basándose únicamente en los recursos eólicos. La Asociación Estadounidense de Energía Eólica pone ese número en un teórico 100 por ciento. Cualquiera que sea la estimación correcta, Estados Unidos probablemente no verá esos porcentajes en el corto plazo. La Asociación Estadounidense de Energía Eólica proyecta que para 2020, El viento proporcionará el 6 por ciento de toda la electricidad de EE. UU. Si bien Estados Unidos tiene una de las bases de energía eólica instaladas más grandes del mundo en términos de pura potencia, porcentualmente, está a la zaga de otros países desarrollados. El Reino Unido tiene un objetivo declarado del 10 por ciento de energía eólica para 2010. Alemania genera actualmente el 8 por ciento de su energía a partir del viento. y España está al 6 por ciento. Dinamarca, el líder mundial en consumo de energía limpia, obtiene más del 20 por ciento de su electricidad del viento.
Para obtener más información sobre la energía eólica y temas relacionados, consulte los enlaces en la página siguiente.
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