Aerogenerador
Un aerogenerador es un generador eléctrico que funciona convirtiendo la energía cinética del viento en energía mecánica a través de una hélice 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 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.
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.
Ya en la primera mitad del siglo XX, 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.
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.
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:
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 1000-2000 rpm. Dado que la velocidad de rotación de las aspas es baja (entre 8 y 30 rpm), 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 60 Hz).
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.
La energía cinética del aire () depende del cuadrado de la velocidad del aire () y de su densidad ():
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. Por ejemplo, el área de barrido de una turbina con un rotor de 82 metros de diámetro será de 5 281 m².
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 turbina 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 turbina de 82 metros de diámetro estuviera expuesta a un viento de 15 m/s con una densidad del aire de 1.28 kg/m³ podría extraer, suponiendo un viento perfecto (sin turbulencias) y un rendimiento perfecto, hasta 6.76 MW de energía eléctrica.
Los aerogeneradores modernos obtienen entre un 75 % a 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 (offshore) contribuyen a un mejor aprovechamiento de la energía del aire.
En general, los aerogeneradores modernos de eje horizontal se diseñan para trabajar con velocidades del viento que varían entre 3 y 25 m/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.
Para aerogeneradores de gran potencia, algunos tipos de sistemas pasivos, utilizan características aerodinámicas de las aspas que hacen que aún en condiciones de vientos muy fuertes el rotor se detenga. Esto se debe a que él mismo entra en un régimen llamado "pérdida aerodinámica".
Este tipo de generadores se ha popularizado rápidamente al ser considerados una fuente limpia de energía, ya que no requieren, para la producción de energía, una combustión que produzca residuos contaminantes o gases implicados en el efecto invernadero. Sin embargo, su uso no está exento de impacto ambiental. Su localización —frecuentemente lugares apartados de elevado valor ecológico, como las cumbres montañosas, que por no encontrarse habitadas conservan su riqueza paisajística y faunística— puede provocar efectos perniciosos, como el impacto visual en la línea del horizonte, la gran superficie que ocupan debido a la separación necesaria entre ellos —entre tres y diez diámetros de rotor— o el intenso ruido generado por las palas, además de los efectos causados por las infraestructuras que es necesario construir para el transporte de la energía eléctrica hasta los puntos de consumo. Pese a que se investiga para minimizarlos, se siguen produciendo muertes de aves por su causa, además de que se ven afectadas las poblaciones de quirópteros. En algunas centrales eólicas mueren cada año cerca de 14 aves y 40 murciélagos por cada MW instalado. Más recientemente, se ha propuesto la posibilidad de que su uso generalizado podría incluso contribuir al calentamiento global al bloquear las corrientes de aire.
Por otro lado, teniendo en cuenta los gases de efecto invernadero que sí se producen por las tareas derivadas de construcción, transporte y mantenimiento del aerogenerador, la energía eólica terrestre (onshore) es la segunda energía menos contaminante tras la energía hidroeléctrica, con 12 g de CO2 por cada kWh, frente a los 4 de la energía hidroeléctrica, los 16 de la energía nuclear o los 22 de la energía solar térmica. A esto hay que sumar el problema de las palas, que dejan de ser útiles tras unos 20 años de uso y que suelen terminar en vertederos (denominados "cementerios de palas") ante la complejidad de su reciclaje.
Son aquellos en los que el eje de rotación se encuentra perpendicular al suelo. También se denominan VAWT (del inglés, Vertical Axis Wind Turbine), en contraposición a los de eje horizontal o HAWT. Un ejemplo es el rotor Savonius.
En general, las ventajas de los VAWT son:
Sus desventajas son:
Existen diferentes tipos de generadores eólicos. La parte eléctrica se puede diseñar tanto con generadores síncronos como asíncronos, y con varias formas de conexión del generador, directa o indirecta, a la red. La conexión directa a red significa que el generador está conectado directamente a la red de corriente alterna (generalmente trifásica). La conexión indirecta a red significa que la corriente que viene del alternador pasa a través de una serie de dispositivos que ajustan la corriente para igualarla a la de la red (en generadores asíncronos esto ocurre de forma automática).
La máquina doblemente alimentada (DFIM por sus siglas en inglés), también conocida generador doblemente alimentado (DFIG), es un tipo de generador eléctrico en el que los terminales de los bobinados del rotor son accesibles. Se caracteriza también porque la velocidad de giro del rotor es ligeramente diferente de la velocidad de sincronismo. Es importante destacar la gran utilidad de los generadores asíncronos doblemente alimentados en configuraciones de generación eólica.
Su principal característica es la incorporación de un convertidor de frecuencia conectado al rotor que permite el control de las tensiones e intensidades del mismo. Gracias al control sobre estos parámetros, conseguimos que la máquina permanezca constantemente sincronizada con la red aunque varíen las velocidades de revolución.
Esta característica es extremadamente útil en configuraciones de velocidad variable como es la generación eólica. El control que nos da el convertidor de frecuencia permite a la máquina una mayor estabilidad, así como capacidad de reacción frente a posibles faltas. Por otro lado, en comparación con otras configuraciones, las máquinas doblemente alimentadas no son extremadamente caras, ya que su componente más costosa, la electrónica, es decir, el convertidor de frecuencia, no trabajará a una potencia elevada (el 20 % de la nominal del generador aproximadamente).
El principio básico de funcionamiento puede definirse como la conversión de la potencia capturada por la turbina en potencia eléctrica, gracias al generador de inducción y su posterior transmisión a la red mediante el estátor y los devanados del rotor.
El sistema de conversión está compuesto por dos convertidores trifásicos. El primero, denominado convertidor lado máquina, será el que esté conectado al rotor, mientras que el convertidor lado red será el conectado a la red. Así pues, este sistema interconecta el rotor y la red permitiendo el flujo de potencia entre ambos.
Un generador asíncrono doblemente alimentado unifica las ventajas de los generadores asíncronos y de los generadores síncronos.
Son aerogeneradores que se utilizan para uso personal. Los hay que producen desde 50 W hasta unos pocos kW.
La configuración ideal de un aerogenerador es sobre un mástil sin necesidad de cables de anclaje y en un lugar expuesto al viento. Muchos de los diseños convencionales de turbinas eólicas no se recomiendan para su montaje en edificios. Sin embargo, si el único sitio disponible es el tejado de un edificio, instalar un pequeño sistema eólico puede ser factible si está lo suficientemente alto como para minimizar la turbulencia, o si el régimen del viento en ese emplazamiento en particular es favorable.
La mayoría de los sistemas de energía eólica disponibles necesitan la intervención del dueño durante el funcionamiento. Muchos fabricantes ofrecen servicio de mantenimiento para las turbinas eólicas que ellos instalan. El fabricante debe, en cualquier caso, proporcionar información detallada acerca de los procedimientos de mantenimiento.
Junto con los costes de inversión, se debe llevar a cabo una evaluación económica que incluya los siguientes aspectos:
Además de las ventajas propias de la energía eólica, la microeólica es más eficiente si se genera la electricidad cerca del lugar donde se consume, puesto que se minimizan las pérdidas en el transporte. También es posible, en estos casos, almacenar la energía en baterías para su uso en ausencia de viento.
En España, hay fabricantes de microeólica, como Bornay Aerogeneradores.
No existe una frontera definida entre la microeólica y la minieólica. Generalmente, se puede considerar que la microeólica comprende un único aerogenerador, mientras que la frontera superior de la minieólica se define por potencia, y no debe superar los 100 kW. Se denominan también aerogeneradores domésticos o de pequeña potencia.
Aplicaciones:
Dónde colocar un aerogenerador de pequeña potencia: hay que conocer los vientos dominantes que existen en la zona y la forma en que pueden variar a lo largo del año. Por lo general el punto más elevado del terreno es el que recibe más viento, aunque esta regla puede verse alterada por la presencia de ríos, valles o zonas boscosas, así como los obstáculos que existan alrededor como edificios o árboles. Estos pueden variar tanto la velocidad, como la dirección del viento.
Se recomienda instalar el aerogenerador de pequeña potencia al menos 10 metros por encima de cualquier obstáculo y al doble de altura que esta.
La Asociación Mundial de la Energía Eólica (en inglés: World Wind Energy Association), en el del Informe Mundial sobre Minieólica, ha publicado que a finales de 2011 la minieólica alcanzó los 576 MW, lo que supone un 27 % más de potencia instalada que el año anterior. Más de 330 fabricantes de pequeñas turbinas eólicas operan en 40 países de todo el mundo.