Aerogeneradores: Conceptos Esenciales para Entender su Funcionamiento y Eficiencia Eólica

Conceptos Fundamentales en Aerogeneradores y Energía Eólica

Fuerzas que Intervienen en la Circulación del Aire

En la circulación del aire intervienen diversas fuerzas:

• Fuerzas debidas a los gradientes de presión
• Fuerza gravitacional
• Fuerza de rozamiento
• Fuerza de Coriolis

Veletas en Aerogeneradores Multipala Americanos: ¿Por Qué Dos?

Es habitual observar en un aerogenerador del tipo “multipala americano” la existencia de dos veletas desorientadas entre sí 90º. ¿Por qué están ahí?

Un aerogenerador de este tipo posee dos veletas:

• Una, la principal, está alineada con el eje de giro y sirve para orientar el aerogenerador hacia el viento.
• Una segunda, más pequeña que la principal, está desfasada 90º respecto a esta (paralela al plano de giro del rotor). Su función es desorientar el aerogenerador cuando hay vientos excesivos, actuando como mecanismo de regulación y protección.

Coeficiente de Potencia (Cp)

Básicamente, el coeficiente de potencia es el rendimiento del rotor, es decir, la fracción de la potencia disponible en el viento (P0) que es capaz de aprovechar la hélice (PR).

Cizallamiento del Viento y sus Consecuencias

La velocidad del viento se va reduciendo conforme se acerca a la superficie de la tierra. La forma en que se reduce depende del tipo de terreno y de los obstáculos con los que se encuentra a su paso. Esto se conoce como la variación de la velocidad del viento con la altura.

Las consecuencias del cizallamiento para un aerogenerador de gran diámetro son más notables, puesto que habrá una mayor diferencia de velocidad entre el viento que empuja la pala en la parte inferior de su recorrido y el que lo hace en la parte superior. Esto produce desequilibrios y sobreesfuerzos que deben considerarse a la hora de realizar un correcto diseño de la máquina.

Comparativa de Modelos de Aerogeneradores: Darrieus y Savonius

• El modelo Darrieus se considera una máquina rápida.
• El modelo Savonius tiene un par de arranque mucho mayor que el Darrieus.
• El modelo Savonius se considera una máquina lenta.

Rendimiento de Aerogeneradores: Límites y Realidad

Justificación: ¿Por qué el rendimiento de un aerogenerador real con turbina ideal no alcanza el 59%?

El rendimiento de un aerogenerador dependerá del rendimiento de todos y cada uno de los componentes que lo forman:

ηAERO = Cp · ηMulti · ηGenerador · ηElectrónica · ηTrafo

Para que este rendimiento total fuese de 0.59 —dado que el Cp ya es el máximo por ser una Turbina Ideal—, implicaría que el resto de los componentes tuvieran un rendimiento del 100%:

0.59 = 0.59 · 1 · 1 · 1 · 1

Pero sabemos que esto no es posible, porque en el enunciado se ha indicado que son componentes reales y tendrán sus correspondientes pérdidas (rozamientos en todas las partes móviles, pérdidas por efecto Joule en sus componentes eléctricos, así como el gasto energético de los servicios auxiliares).

Justificación: ¿Por qué el rendimiento de una turbina ideal nunca puede alcanzar el 100%?

Como sabemos, una turbina funciona obteniendo energía de la energía cinética del aire que le llega. El aire llega con una velocidad y la abandona a menor velocidad. Esta diferencia de energía cinética, entre la entrada y la salida, es la que se supone que ha captado el rotor.

Si el aire saliera con velocidad cero, querría decir que toda la energía inicial que traía el viento se habría aprovechado en el rotor y, por lo tanto, su rendimiento sería del 100%. Sin embargo, como se explicó, esto no es posible porque si el aire se detiene al atravesar la turbina, se comportaría como un tapón que impediría la llegada de viento al rotor y, por lo tanto, la turbina se pararía.