Las centrales eólicas se basan en la
utilización del viento como energía primaria para la producción de energía
eléctrica. La energía eólica ha sido un recurso empleado desde tiempos remotos
en diferentes partes del mundo y para diversos propósitos.
Aunque el aprovechamiento de la energía eólica data de las épocas más remotas de la humanidad (existen grabados egipcios sobre navegación a vela fechados 500 años a. c) la primera noticia que se tiene al respecto se refiere a un molino que Herón de Alejandría construyó en el siglo II antes de C. para proporcionar aire a su órgano.
Los más antiguos molinos que se conocen eran de eje vertical. Hacia el siglo VIII aparecieron en Europa, procedentes del este, grandes molinos de eje horizontal con cuatro aspas. Su fabricación en gran número, en particular por los holandeses, les hizo alcanzar una gran firmeza, pese a que, debido a las dimensiones de sus aspas distaban mucho de recoger el máximo de potencia. Necesitaban una regulación de la orientación de la tela. Los molinos de viento de eje horizontal han de hacer siempre frente al viento.
Estos molinos eran muy adecuados para vientos del orden de 5 m/s, es decir, unos 20 km./h.
Los molinos con gran número de palas
determinan velocidades de rotación relativamente bajas y un
funcionamiento útil a partir de velocidades del viento del orden de 2
m/s.
Todos estos molino
s se mantendrán hasta bien entrado el siglo XIX.
El desarrollo de los molinos de viento se interrumpe con la revolución
industrial y la utilización masiva de vapor, la electricidad y los
combustibles fósiles como fuentes de energía motriz. Es, sin embargo, en
la segunda mitad del siglo XIX cuando tiene lugar uno de los más
importantes avances en la tecnología del aprovechamiento del viento, con
la aparición del popular molino multipala americano, utilizado para
bombeo de agua prácticamente en todo el mundo, y cuyas características
habrían de sentar las bases para el diseño de los modernos generadores
eólicos.
Fue entre las dos últimas guerras cuando aparecieron, como
consecuencia de los progresos técnicos de las hélices de aviación, los
grandes aerogeneradores de dos o tres palas. En ellos se transforma la
energía cinética del viento en energía mecánica primero y en energía
eléctrica posteriormente.
Todas las fuentes de energía renovables (excepto la mareomotriz
y la geotérmica), incluso la de los combustibles sólidos, provienen, en último
término, del Sol. El Sol irradia 1014 kw·h de energía hacia la
Tierra. En otras palabras, si tenemos en cuenta que 1 kw·h = 3.600.000 julios
y esta energía se transmite en una hora, la Tierra recibe del Sol
1017 w de potencia.
Alrededor de un 1 a un 2% de la energía proveniente del Sol es convertible
en energía eólica. Esto supone una energía alrededor de 50 a 100 veces
superior a la convertida en biomasa por todas las plantas de la Tierra.
El viento se produce por las diferencias de temperaturas que alcanzan
diferentes partes de la Tierra.
Si
consideramos el movimiento de rotación de la Tierra, el modelo de circulación
global del aire sobre el planeta se hace mucho más complicado.
En el hemisferio norte, el movimiento del aire en las capas altas tiende a desviarse hacia el ESTE y en las capas bajas hacia el OESTE, por efecto de las fuerzas de inercia de Coriolis. En el hemisferio sur ocurre al contrario.
Estas fuerzas de Coriolis aparecen en todas las partículas cuyo movimiento esté asociado a unos ejes de referencia que a su vez está sometido a un movimiento de rotación.
Este modelo de circulación, todavía se ve perturbado por la formación de
torbellinos que se generan en las zonas de interpolación de los diferentes
ciclos. La componente transversal de la velocidad del viento genera unas olas,
que poco a poco se van incrementando hasta que la circulación se rompe,
produciéndose unos torbellinos que se mueven independientemente. Estos núcleos
borrascosos se generan periódicamente y transportan grandes masas de aire frío
hacia el sus alterando las condiciones climáticas en zonas de latitud
inferior.
Las direcciones dominantes del viento son importantes para el
emplazamiento de un aerogenerador, ya que obviamente querremos situarlo en un
lugar en el que haya el mínimo número de obstáculos posibles para las
direcciones dominantes del viento.
Sin embargo la geografía local puede
influenciar en los resultados de la tabla anterior.
Aunque los vientos globales son importantes en la determinación de los vientos dominantes de un área determinada, las condiciones climáticas locales pueden influir en las direcciones de vientos más comunes.
Los
vientos locales siempre se superponen en los sistemas eólicos a más gran
escala, esto es, la dirección del viento es influenciada por la suma de los
efectos global y local.
Cuando los vientos a más gran escala son suaves,
los vientos locales pueden dominar los regímenes de viento.
Las regiones montañosas muestran modelos de clima muy interesantes.
Un
ejemplo es el viento del valle que se origina en las laderas que dan al
sur (o en las que dan al norte en el hemisferios sur). Cuando las laderas y el
aire próximo a ellas están calientes la densidad del aire disminuye, y el aire
asciende hasta la cima siguiendo la superficie de la ladera. Durante la noche
la dirección del viento se invierte, convirtiéndose en un viento que fluye
ladera abajo. Si el fondo del valle está inclinado, el aire puede ascender y
descender por el valle; este efecto es conocido como viento de cañón.
Los
vientos que soplan en las laderas a sotavento pueden ser bastante potentes.
Ejemplos de ello son: El Fhon de los Alpes en Europa, el Chinook en las
Montañas Rocosas y el Zonda en los Andes.
Ejemplos de otros sistemas de
vientos locales son el Mistral, soplando a lo largo del valle del Rhone hasta
el Mar Mediterráneo, y el Sirocco, un viento del sur proveniente del Sahara
que sopla hacia el Mar Mediterráneo.
Un
aerogenerador desviará el viento antes incluso de que el viento llegue al
plano del rotor. Esto significa que nunca seremos capaces de capturar toda la
energía que hay en el viento utilizando un aerogenerador.
En la imagen de
arriba tenemos el viento que viene desde la derecha y usamos un mecanismo para
capturar parte de la energía cinética que posee el viento (en este caso usamos
un rotor de tres palas, aunque podría haberse tratado de cualquier otro
mecanismo).
El tubo de corriente:
El rotor de la turbina eólica debe
obviamente frenar el viento cuando captura su energía cinética y la convierte
en energía rotacional. Esto implica que el viento se moverá más lentamente en
la parte izquierda del rotor que en la parte derecha.
Dado que la cantidad
de aire que pasa a través del área barrida por el rotor desde la derecha (por
segundo) debe ser igual a la que abandona el área del rotor por la izquierda,
el aire ocupará una mayor sección transversal (diámetro) detrás del plano
rotor.
Este efecto puede apreciarse en la imagen superior, donde se muestra
un tubo imaginario, el llamado tubo de corriente, alrededor del rotor
de la turbina eólica. El tubo de corriente muestra cómo el viento moviéndose
lentamente hacia la izquierda ocupará un gran volumen en la parte posterior
del rotor.
El viento no será frenado hasta su velocidad final
inmediatamente detrás del plano del rotor. La ralentización se producirá
gradualmente en la parte posterior del rotor hasta que la velocidad llegue a
ser prácticamente constante.
Distribución de la presión del aire en la parte delantera y trasera del rotor
La cantidad de energía transferida al rotor por el viento depende como hemos visto, de la densidad del aire,"d", del área de barrido del rotor, "A", y de la velocidad del viento, "v".
La energía cinética de una masa de aire, "m", moviéndose a una velocidad, "v", responde a la expresión:
E = 1/2 mv2
Si el volumen de aire que se mueve es "V" y tiene una densidad "d" su masa será; m = V . d, con lo que su energía cinéticaserá:
Ec = 1/2 dVv2
La cantidad de aire que llegará al rotor de un aerogenerador en un tiempo "t" dependerá de: el área de barrido del rotor "A" y de la velocidad del viento.
V = Avt
La energía cinética que aporta el aire al rotor en un tiempo "t" será:
Ec = 1/2 dAvtv2
Ec = 1/2 dAtv3
Y
la potencia aportada al rotor será:
Ec = 1/2 dAv3
Como se observa, La potencia del viento es proporcional al cubo de la velocidad del viento
El gráfico muestra que con una velocidad del viento de 8 m/s
obtenemos una potencia de 314 W por cada metro cuadrado expuesto al
viento (viento incidente perpendicularmente al área barrida por el
rotor).
A 16 m/s obtendremos una potencia ocho veces mayor, 2.509
W/m2.
Como también hemos visto anteriormente el aerogenerador ralentiza el viento
al pasar por el rotor, hasta un 2/3 de su velocidad inicial.
Lo que
significa que no se aprovecha toda la energía cinética que el viento asporta
al rotor, existiendo una ley, llamada Ley de
Benz que nos dice:
"Sólo puede convertirse menos de 16/27 (el 59%) de la energía cinética en energía mecánica usando un aerogenerador".
El anemómetro de cazoletas tiene un eje
vertical y tres cazoletas que capturan el viento. El número de
revoluciones por segundo son registradas electrónicamente. Mide la
velocidad del viento en m/s. Normalmente el anemómetro está provisto de
una veleta para detectar la dirección del viento.
| En el eje de las X se han puesto las velocidades del viento en m/s y
en el eje de las Y el tiempo que esas velocidades se han conseguido a lo
largo del año, frecuencia expresada en tanto por uno.
Se observa que los fuertes vendavales son raros (v>14 m/s) y que los vientos frescos y moderados son bastante comunes. En este emplazamiento la velocidad media a lo largo del año ha sido de 7 m/s y la forma de la curva está determinada por un parámetro de forma de 2. |
La distribución estadística de las velocidades del viento varía de un lugar a otro del globo, dependiendo de las condiciones climáticas locales, del paisaje y de su superficie. Por lo tanto la Distribución de Weibull puede variar tanto en la forma como en el valor medio.
Sabemos que el potencial de energía por segundo del aire varía proporcionalmente al cubo de la velocidad del viento. Si multiplicamos la potencia de cada velocidad del viento por la probabilidad de cada velocidad del viento sacada de la gráfica de Weibull, habremos calculado la distribución de energía eólica a diferentes velocidades del viento lo que llamamos "densidad de potencia".
| En esta gráfica el área bajo la curva gris (a lo largo del eje
horizontal) nos da la cantidad de potencia eólica por m2 de
flujo de viento que puede esperarse en este emplazamiento en particular.
En este caso tenemos una velocidad media de 7 m/s y un weibull k=2, por
lo que tenemos en total 402 W/m2. Observe que esta potencia
es casi el doble de la obtenida cuando el viento sople constantemente a
la velocidad media.
El gráfico consta de cierto número de columnas estrechas, una para
cada intervalo de 0'1 m/s de la velocidad del viento. |
De este gráfico sacamos las siguientes informaciones:
La mayor parte de la energía eólica se encontrará a velocidades por encima de la velocidad media del viento.
Velocidad de conexión: Los aerogeneradores están diseñados para empezar a girar a velocidades alrededor de 3-5 m/s. Es la llamada "velocidad de conexión". El área azul de la izquierda muestra la pequeña cantidad de potencia perdida por este hecho.
Velocidad de corte:
El aerogenerador se programará para pararse a altas velocidades del
viento, de unos 25 m/s, para evitar posibles daños.
La minúscula área
azul de la derecha representa la pérdida de potencia por este motivo.
 | 
|
| La curva de potencia de un aerogenerador es un gráfico que nos
indica la potencia eléctrica que es capaz de generar para cada velocidad
del viento.
El gráfico muestra una curva de potencia de un típico aerogenerador de 600 kW. Las curvas de potencia se obtienen a partir de medidas en campo, donde un anemómetro situado en un mastil toma velocidades del viento y la potencia eléctrica se lee directamente de los aparatos de control del areogenerador. |
El coeficiente de potencia indica con qué eficiencia el aerogenerador convierte la energía del viento en electricidad. Para calcular el coeficiente de potencia para cada velocidad dividimos el valor de la potencia eléctrica para cada velocidad sacado de la curva de potencia por el área de barrido del rotor, sacamos así la potencia disponible por metro cuadrado. Posteriormente, para cada velocidad, dividimos el resultado anterior por la cantidad de potencia en el viento por m2.
| El gráfico muestra la curva del coeficiente de potencia de un aerogenerador típico. Aunque la eficiencia media de estos aerogeneradores suele estar por encima del 20%, la eficiencia varía mucho con la velocidad del viento. | 
|
| Como se puede observar, la eficiencia mecánica del aerogenerador más
alta (44%) se da a velocidades alrededor de 9 m/s. Este valor es un dato
elegido deliberadamente por los constructores de turbinas, ya que:
A bajas velocidades del viento la eficiencia del aerogenerador no es importante, ya que la energía del viento no es mucha. A altas velocidades la eficiencia tampoco interesa que sea muy alta por un doble motivo, según la densidad de potencia a alteas velocidades esta es baja y además hay peligro de ruptura del aerogenrador, por lo que este se para a esas velocidades. Así pues, la eficiencia interesa que sea alta en aquellas zonas de velocidades de viento más frecuentes, donde se encuentra la mayor parte de la energía. |
La góndola
Contiene los componentes clave del aerogenerador, incluyendo el multiplcador y el generador eléctrico. El personal de servicio puede entrar en la góndola desde la torre de la turbina. A la izquierda de la góndola tenemos el rotor del aerogenerador, es decir las palas y el buje.
Las palas del rotor
Capturan el viento y transmiten su potencia hacia el buje. En un aerogenerador moderno de 600 kW cada pala mide alrededor de 20 metros de longitud y su diseño es muy parecido al del ala de un avión.
El buje
El buje del rotor está acoplado al eje de baja velocidad del aerogenerador.
El eje de baja velocidad
Conecta el buje del rotor al multiplicador. En un aerogenerador moderno de 600 kW el rotor gira muy lento, a unas 19 a 30 revoluciones por minuto (r.p.m.) El eje contiene conductos del sistema hidraúlico para permitir el funcionamiento de los frenos aerodinámicos.
El multiplicador
Tiene a su izquierda el eje de baja velocidad. Permite que el eje de alta velocidad que está a su derecha gire 50 veces más rápido que el eje de baja velocidad.
El eje de alta velocidad
Gira aproximadamente a 1.500 r.p.m. lo que permite el funcionamiento del generador eléctrico. Está equipado con yn freno de disco mecánico de emergencia. El freno mecánico se utiliza en caso de fallo del freno aerodinámico, o durante las labores de mantenimiento de la turbina.
El generador eléctrico
Suele ser un generador asincrono o de inducción. En los aerogeneradores modernos la potencia máxima suele estar entre 500 y 1.500 kW.
El controlador electrónico
Es un ordenador que contínuamente monitoriza las condiciones del aerogenerador y que controla el mecanismo de orientación. En caso de cualquier disfunción (por ejemplo, un sobrecalentamiento en el multiplicador o en el generador), automáticamente para el aerogenerador y llama al ordenador del operario encargado de la turbina a través de un enlace telefónico mediante modem.
La unidad de refrigeración
Contiene un ventilador eléctrico utilizado para enfriar el generador eléctrico. Además contiene una unidad refrigerante por aceite empleada para enfriar el aceite del multiplicador. Algunas turbinas tienen generadores refrigerados por agua.
La torre
Soporta la góndola y el rotor. Generalmente es una ventaja disponer de
una torre alta, dado que la velocidad del viento aumenta conforme nos
alejamos del nivel del suelo. Una turbina moderna de 600 kW tendrá una torre
de 40 a 60 metros (la altura de un edificio de 13 a 20 plantas).
Las
torres pueden ser bien torres tubulares (como la mostrada en el dibujo) o
torres de celosia. Las torres tubulares son más seguras para el personal de
mantenimiento de las turbinas ya que pueden usar una escalera interior para
acceder a la parte superior de la turbina. La principal ventaja de las
torres de celosia es que son más baratas.
El mecanismo de orientación
Está activado por el controlador electrónico, que vigila la dirección del viento utilizando la veleta.
| El dibujo muestra la orientación de la turbina. Normalmente, la turbina sólo se orientará unos pocos grados cada vez, cuando el viento cambia de dirección. |
El anemómetro y la veleta
|
| Las señales electrónicas del anemómetro son utilizadas por el controlador electrónico del aerogenerador para conectarlo cuando el viento alcanza aproximadamente 5 m/S. El ordenador parará el aerogenrador automáticamente si la velocidad del viento excede de 25 m/s, con el fin de proteger a la turbina y sus alrededores.Las señales de la veleta son utilizadas por el controlador electrónico para girar el aerogenerador en contra del viento, utilizando el mecanismo de orientación. |
Aerodinámica en aerogeneradores
El rotor, compuesto por las palas del rotor y el buje, está situdo corriente arriba de la torre y la góndola en la mayoría de los aerogeneradores modernos. Esto se hace sobretodo porque la corriente de aire tras la torre es muy irregular (turbulenta)
¿Qué es lo que hace que el rotor gire?
| La respuesta parece obvia: el viento. Pero en realidad, no se trata simplemente de moléculas de aire que chocan contra la parte delantera de las palas del rotor. Los aerogeneradores modernos toman prestada de los aviones y los helicopteros tecnología ya conocida, además de tener algunos trucos propios más avanzados, ya que los aerogeneradores trabajan en un entorno realmente muy diferente, con cambios en las velocidades y en las direcciones del viento. | 
|
| Eche un vistazo a la animación del perfil cortado (sección transversal) del ala de un avión. La razón por la que un aeroplano puede volar es que el aire que se desliza a lo largo de la superficie superior del ala se mueve más rápidamente que el de la superficie inferior. |
| Esto implica una presión más baja en la superficie
superior, lo que crea la sustentación, es decir , la fuerza de
empuje hacia arriba que permite al avión volar. La sustentación es perpendicular a la dirección del viento. | |
| Ahora bien, ¿qué es lo que ocurre cuando un avión se inclina demasiado hacia atrás en un intento de subir más rápidamente? La sustentación del ala va de hecho a aumentar, pero en el dibujo puede verse que, de repente,el flujo del aire de la superficie superior deja de estar en contacto con la superficie del ala. |
| En su lugar, el aire gira alrededor de un vórtice
irregular (condición que también se conoce como turbulencia).
Bruscamente, la sustentación derivada de la baja presión en la
superficie del ala desaparece. Este fenómeno es conocido como pérdida
de sustentación. Un avión perderá la sustentación si la forma del ala va disminuyendo demasiado rápidamente conforme el aire se mueve a lo largo de su dirección general del movimiento (por supuesto, no va a ser el ala propiamente dicha la que cambie su forma, sino el ángulo que forma el ala con la dirección general de la corriente, también conocido como ángulo de ataque, que ha sido aumentado en el dibujo de arriba). Observe que la turbulencia es creada en la cara posterior del ala en relación con la corriente de aire. La pérdida de sustentación puede ser provocada si la superficie del ala del avión (o la pala del rotor de un aerogenerador) no es completamente uniforme y lisa. Una mella en el ala o en la pala del rotor, o un trozo de cinta adhesiva, pueden ser suficiente para iniciar una turbulencia en la parte trasera, incluso si el ángulo de ataque es bastante pequeño. Obviamente, los diseñadores de aviones intentan evitar la pérdida de sustentación a toda costa , ya que un avión sin la sustentación de sus alas caerá como si fuera una piedra. En la parte sobre control de potencia volveremos sobre este asunto y veremos como los diseñadores de aerogeneradores hacen uso deliberado del fenómeno de pérdida de sustentación cuando diseñan palas del rotor. | |
En la actualidad existe toda una enorme variedad de modelos de
aerogeneradores, diferentes entre sí tanto por la potencia proporcionada, como
por el número de palas o incluso por la manera de producir energía eléctrica
(aisladamente o en conexión directa con la red de distribución convencional).
Pueden clasificarse, pues, atendiendo a distintos criterios:
Por la posición del aerogenerador:
Eje vertical:
Su característica principal es que el eje de
rotación se encuentra en posición perpendicular al suelo. Son también
llamados "VAWTs", que corresponde a las siglas de la denominación inglesa
"vertical axis wind turbines". Existen tres tipos de estos
aerogeneradores:
Darrieus:
Consisten en dos o tres arcos que giran alrededor
del eje.
Panemonas:
Cuatro o más semicírculos unidos al eje central. Su
rendimiento es bajo.
Sabonius:
Dos o más filas de semicilindros colocados opuestamentes.
Eje horizontal:
Son los más habituales y en ellos se ha centrado el mayor
esfuerzo de diseño en los últimos años. Se los denomina también
"HAWTs", que corresponde a las siglas de la denominación inglesa
"horizontal axis wind turbines". Un prototipo de potencia generada
1'5 mW se presenta en la figura.
Una discusión clásica dentro del campo de los aerogeneradores es que tipo de máquina es preferible. Sucintamente, podemos decir aquí que las principales ventajas teóricas de una máquina de eje vertical son:
Puede situar el generador, el multiplicador, etc. en el suelo, y puede no tener que necesitar una torre para la máquina. No necesita un mecanismo de orientación para girar el rotor en contra del viento.
Las principales desventajas son:
Las velocidades del viento cerca del nivel del suelo son muy bajas, por lo que a pesar de que pueden ahorrarse la torre, sus velocidades de viento serán muy bajas en la parte más baja de su rotor.
La eficiencia promedio de las máquinas de eje vertical no es muy grande.
La máquina no es de arranque automático (es decir, una máquina Darrieus necesitará un "empuje" antes de arrancar). Sin embargo, esto es sólo un inconveniente sin importancia, ya que puede utilizar el generador como motor absorbiendo corriente de la red para arrancar la máquina.
La máquina puede necesitar cables tensores que la sujeten, aunque esta solución no es practicable en áreas muy cultivadas.
Para sustituir el cojinete principal del rotor se necesita desmontar el rotor, tanto en las máquinas de eje horizontal como en las de eje vertical. En el caso de las últimas, esto implica que toda la máquina deberá ser desmontada.
Por otro lado, también hay algo de abrigo enfrente de la torre, es
decir, el 
viento empieza a desviarse de la torre antes de alcanzarla,
incluso si la torre es redonda y lisa. Así pues, cada vez que el rotor
pasa por la torre, la potencia del aerogenerador cae ligeramente.
El principal inconveniente de los diseños corriente arriba es que el rotor necesita ser bastante inflexible, y estar situado a una cierta distancia de la torre. Además una máquina corriente arriba necesita un mecanismo de orientación para mantener el rotor de cara al viento.
A sotovento:
Las máquinas corriente abajo tiene el rotor situado en la cara a
sotovento de la torre.
La ventaja teórica que tienen es que
pueden ser construidos sin un mecanismo de orientación, si el rotor
y la góndola tienen un diseño apropiado que hace que la góndola siga
al viento pasivamente.
Sin embargo, en grandes máquinas ésta es una ventaja algo dudosa,
pues se necesitan cables para conducir la corriente fuera del
generador. Si la máquina ha estado orientándose de forma pasiva en
la misma dirección durante un largo periodo de tiempo y no dispone
de un mecanismo de orientación, los cables pueden llegar a sufrir
una torsión excesiva.
Un aspecto más importante es que el rotor puede hacerse más flexible. Esto supone una ventaja tanto en cuestión de peso como de dinámica de potencia de la máquina, es decir, las palas se curvarán a altas velocidades del viento, con lo que quitarán parte de la carga a la torre.
El inconveniente principal es la fluctuación de la potencia eólica, debida al paso del rotor a través del abrigo de la torre. Esto puede crear más cargas de fatiga en la turbina que con un diseño corriente arriba.
Por el número de palas:
Una pala:
Dos palas:
Mediante conicidad
Mediante una veleta: Es el método más sencillo posible para orientar un aerogenerador. Se emplea únicamente en los equipos pequeños y tamaño no demasiado grandes.
Mediante molinos auxiliares
:
Por el control de potencia
Todos los aerogeneradores deben poseer algún método de control
de la potencia generada, con el fin de evitar que se produzcan daños en los
distintos componentes de estos equipos en caso de vientos excesivos.
Recordemos que la energía del viento aumenta con el cubo de su velocidad.
Por ello, se han desarrollado una serie de dispositivos que cumplen
exactamente este cometido. Básicamente los podemos clasificar en:
Sistemas de paso variable (ptch regulation)
Este método de control consiste en que las palas varían su ángulo de incidencia con respecto al viento. Cuando la potencia generada es excesiva, las palas comienzan a girar sobre su eje longitudinal hasta adoptar la posición denominada de bandera. La resistencia entonces opuesta al viento es mínima, así como el par ejercido y la potencia generada.
Las ventajas de este sistema de control son:
Con su implantación se logra una mayor vida del aerogenerador, al soportar este menores cargas dinámicas.
Al mismo tiempo se consigue un aumento del rendimiento de la instalación, ya que el viento ataca a los álabes siempre con el ángulo óptimo de incidencia.
Así mismo, es posible el aprovechamiento de regímenes de vientos bajos.
Diseño de las palas (stall regulation)Los aerogeneradores de regulación (pasiva) por pérdidas aerodinámicas tienen las palas del rotor unidas al buje en un ángulo fijo. Sin embargo, el perfil de la pala ha sido aerodinámicamente diseñado para asegurar que, en el momento en que la velocidad del viento sea demasiado alta, se cree una cierta turbulencia en la parte de la pala que no da al viento. Esta pérdida de sutentación evita que la fuerza ascensional de la pala actue sobre el rotor. Conforme aumenta la velocidad real del viento en la zona, el ángulo de ataque de la pala del rotor también aumentará, hasta llegar al punto de empezar a perder la sustentación.
Si se observa con atención la pala del rotor de un aerogenerador
regulado por pérdida aerodinámica, llama la atención que la pala esté
ligeramente curvada a lo largo de su eje longitudinal. Esto es así en
parte para asegurar que la pala pierde la sustentación de forma gradual,
en lugar de hacerlo bruscamente, cuando la velocidad alcanza su valor
crítico.
La principal ventaja de esta regulación es que se evitan las partes móviles del rotor y un complejo sistema de control. Por otro lado, la regulación por pérdida aerodinámica representa un problema de diseño aerodinámico muy complejo y comporta retos en el diseño de la dinámica estructural de toda la turbina, para evitar las vibraciones provocadas por la pérdida de sustentación.
Aerogeneradores de regulación activa por pérdida
aerodinámica
Un número creciente de grandes aerogeneradores (a
partir de 1 MW) están siendo desarrollados con un mecanismo de regulación
activa por pérdida aerodinámica. Técnicamente, las máquinas de regulación
activa por pérdida aerodinámica se parecen a las de regulación por cambio
del ángulo de paso, en el sentido de que ambos tienen palas que pueden
girar (a menudo sólo utilizan unos pocos pasos fijos, dependiendo de la
velocidad del viento).
Sin embargo, cuando la máquina alcanza su máxima potencia nominal,
observará que este tipo de máquinas presenta una grandiferencia respecto a
las máquinas reguladas por cambio de ángulo de paso: si el generador va a
sobrecargarse, la máquina girará las palas en dirección contraria a la que
haría una máquina de regulación por cambio de ángulo de paso. En otras
palabras, aumentará el ángulo de paso de las palas para llevarlas hasta
una posición de mayor pérdida de sustentación, y poder así consumir el
exceso de energía del viento.
Una de las ventajas de la regulación activa por pérdida aerodinámica es
que la producción de potencia puede ser controlada de forma más exacta que
con la regulación pasiva.
Otra de las ventajas es que la máquina puede
funcionar casi exactamente a la potencia nominal a todas las
velocidades
del viento.
El mecanismo de cambio del ángulo de paso suele operarse mediante sistemas hidraúlicos o motores eléctricos paso a paso. Otros métodos de control de potencia : Algunos aerogeneradores modernos usan alerones (aletas) para controlar la potencia del rotor, al igual que los aviones. Otra posibilidad teórica es que el rotor oscile lateralmente fuera del viento (alrededor de un eje vertical) para disminuir la potencia. En la práctica esta técnica se usa para aerogeneradores muy pequeños.
Los aerogeneradores son siempre elementos muy visibles en el paisaje. De lo contrario, no estarían situados adecuadamente desde un punto de vista meteorológico.
La figura muestra el parque eólico de Kappel (Dinamarca). Probablemente sea una de las distribuciones de máquinas eólicas más agradables posibles desde el punto de vista estético. La forma del dique a lo largo de la costa se repite en la línea de las turbinas.
En todo caso el impacto visual es algo consustancial a esta forma de
producir energía. Puede minimizarse en lo posible, por ejemplo pintando las
torres de gris, pero nunca evitarse totalmente. En áreas llanas suele ser una
buena estrategia disponer las turbinas según una distribución geométrica
simple, fácilmente perceptible por el espectador.
Sin embargo, existen límites a la utilización de patrones simples: en paisajes con fuertes pendientes, rara vez es viable la utilización de un patrón simple, y suele ser mejor hacer que las turbinas sigan los contornos del altitud del paisaje, o los cercados u otras características del mismo.
Otro efecto (defecto) achacado a este tipo de instalaciones es la contaminación acústica. Aunque el sonido no es un problema capital para la industria, dada la distancia a la que se encuentran los vecinos más cercanos (normalmente se observa una distancia mínima de unos 7 diámetros de rotor o 300 metros), no por ello es este un detalle que se descuide totalmente a la hora de diseñar nuevos equipos. Además, ningún paisaje está nunca en silencio absoluto. Por ejemplo, las aves y las actividades humanas emiten sonidos y, a velocidades del viento alrededor de 4-7 m/s y superiores, el ruido del viento en las hojas, arbustos, árboles, mástiles, etc. enmascarará (ahogará) gradualmente cualquier potencial sonido de los aerogeneradores.
Esto hace que la medición del sonido de los aerogeneradores de forma precisa sea muy difícil. Generalmente, a velocidades de 8 m/s y superiores llega a ser una cuestión bastante abstrusa el discutir las emisiones de sonido de los modernos aerogeneradores, dado que el ruido de fondo enmascarará completamente cualquier ruido de la turbina. Al menos este es el punto de vista defendido por los fabricantes de equipos eólicos.
Por último se hace necesario reseñar, aunque sea muy sucintamente, un debate abierto entre la industria explotadora de parque eólicos y los diferentes grupos de defensa de la naturaleza, quienes paradójicamente deberían ser los mayores defensores de esta fuente no contaminante de energía. Tal debate es la mortandad de aves causadas por colisiones con las aspas de los equipos. Las posturas están enfrentadas y las posiciones alejadas, pero es razonable pensar en un acercamiento a medio plazo.
Javier de Lucas