Los aerogeneradores parecen hélices de aviones que giran sobre el terreno pero que no van a ninguna parte. Sin embargo, están sirviendo para algo muy útil. Hay energía atrapada en el viento y sus gigantescos rotores pueden capturar parte de ella y convertirla instantáneamente en electricidad. ¿Alguna vez se ha parado a preguntarse cómo funcionan las turbinas eólicas? Echemos un vistazo más de cerca!
Foto: Un pequeño parque eólico en Colorado, Estados Unidos. Se trata de turbinas relativamente pequeñas: cada una produce unos 700kW de energía (suficiente para abastecer a unos 400 hogares). Las turbinas tienen una altura de 79 m (desde el suelo hasta la parte superior de los rotores) y los propios rotores tienen un diámetro de 48,5 m (159 pies). La parte superior de cada turbina (llamada góndola) gira sobre la torre que se encuentra debajo, de modo que las palas giratorias siempre están orientadas directamente hacia el viento.
¿Cómo genera electricidad una turbina?
Una turbina, como las de un parque eólico, es una máquina que gira en un fluido en movimiento (líquido o gas) y capta parte de la energía que pasa. Todo tipo de máquinas utilizan turbinas, desde motores a reacción hasta centrales hidroeléctricas y desde locomotoras diesel de ferrocarril hasta molinos de viento. Incluso un molino de viento de juguete para niños es una simple forma de turbina.
Las enormes palas del rotor en la parte delantera de un aerogenerador son la parte “turbina”. Las palas tienen una forma curvada especial, similar a las alas de un avión. Cuando el viento sopla a través de las alas de un avión, las mueve hacia arriba con una fuerza que llamamos elevación; cuando sopla a través de las palas de una turbina, las hace girar. El viento pierde parte de su energía cinética (energía de movimiento) y la turbina gana lo mismo. Como es de esperar, la cantidad de energía que produce una turbina es proporcional al área de barrido de las palas de sus rotores; en otras palabras, cuanto más largas sean las palas de los rotores, más energía generará una turbina. Obviamente, los vientos más rápidos también ayudan: si el viento sopla el doble de rápido, hay potencialmente ocho veces más energía disponible para que una turbina pueda cosechar. Esto se debe a que la energía del viento es proporcional al cubo de su velocidad.
El viento varía todo el tiempo, por lo que la electricidad producida por un solo aerogenerador también varía. La unión de muchos aerogeneradores en un gran parque, y la conexión de muchos parques eólicos en diferentes áreas a una red eléctrica nacional, produce un suministro mucho más estable en general.
¿Partes clave de un aerogenerador?
Aunque hablamos de “aerogeneradores”, el aerogenerador es sólo una de las partes del interior de estas máquinas. Para la mayoría (pero no todas) de las turbinas, otra pieza clave es una caja de engranajes cuyos engranajes convierten la rotación relativamente lenta de las palas de hilar en un movimiento de mayor velocidad, girando el eje impulsor lo suficientemente rápido como para alimentar el generador de electricidad.
El generador es una parte esencial de todas las turbinas y se puede pensar que es un poco como una enorme versión a escala de la dinamo en una bicicleta. Cuando montas en bicicleta, la dinamo que toca la rueda trasera gira y genera suficiente electricidad para que se encienda una lámpara. Lo mismo sucede en un aerogenerador, sólo el generador “dynamo” es accionado por las palas del rotor de la turbina en lugar de por una rueda de bicicleta, y la “lámpara” es una luz en la casa de alguien a kilómetros de distancia. En la práctica, las turbinas eólicas utilizan diferentes tipos de generadores que no se parecen en nada a los dinamos. (Puede leer sobre cómo funcionan, de manera más general, en nuestro artículo principal sobre generadores.)
¿Cómo funciona un aerogenerador?
Un diagrama simple y numerado que muestra cómo una turbina convierte el viento en electricidad.
- El viento (aire en movimiento que contiene energía cinética) sopla hacia las palas del rotor de la turbina.
- Los rotores giran alrededor, capturando parte de la energía cinética del viento, y girando el eje central que los soporta. Aunque los bordes exteriores de las palas del rotor se mueven muy rápido, el eje central (eje de transmisión) al que están conectados gira muy lentamente.
- En la mayoría de las grandes turbinas modernas, las palas de los rotores pueden girar sobre el buje en la parte delantera para que se encuentren con el viento en el mejor ángulo (o “paso”) para cosechar energía. Esto se llama el mecanismo de control de tono.
- En turbinas grandes, motores eléctricos pequeños o cilindros hidráulicos giran las palas hacia adelante y hacia atrás bajo un control electrónico preciso. En las turbinas más pequeñas, el control del paso es a menudo completamente mecánico. Sin embargo, muchas turbinas tienen rotores fijos y ningún control de inclinación.
- Dentro de la góndola (el cuerpo principal de la turbina que se encuentra en la parte superior de la torre y detrás de las palas), la caja de engranajes convierte la rotación a baja velocidad del eje impulsor (tal vez, 16 revoluciones por minuto, rpm) en una rotación a alta velocidad (tal vez, 1600 rpm) lo suficientemente rápida como para impulsar el generador de manera eficiente.
- El generador, inmediatamente detrás de la caja de cambios, toma la energía cinética del eje de accionamiento de rotación y la convierte en energía eléctrica. Funcionando a su máxima capacidad, un generador de turbina típico de 2MW producirá 2 millones de vatios de potencia a unos 700 voltios.
- Los anemómetros (dispositivos automáticos de medición de la velocidad) y las paletas de viento en la parte posterior de la góndola proporcionan mediciones de la velocidad y dirección del viento.
- Con estas medidas, toda la parte superior de la turbina (los rotores y la góndola) puede girar mediante un motor de guiñada, montado entre la góndola y la torre, de modo que se dirija directamente hacia el viento que se aproxima y capture la máxima cantidad de energía. Si es demasiado ventoso o turbulento, se aplican frenos para evitar que los rotores giren (por razones de seguridad). Los frenos también se accionan durante el mantenimiento de rutina.
- La corriente eléctrica producida por el generador fluye a través de un cable que baja por el interior de la torre de la turbina.
- Un transformador elevador convierte la electricidad a un voltaje 50 veces mayor para que pueda ser transmitida eficientemente a la red eléctrica (o a edificios o comunidades cercanas). Si la electricidad fluye a la red, es convertida a un voltaje aún mayor (130.000 voltios o más) por una subestación cercana, que da servicio a muchas turbinas.
- Los hogares disfrutan de energía limpia y verde: la turbina no ha producido emisiones de gases de efecto invernadero ni contaminación durante su funcionamiento.
- El viento sigue soplando a través del aerogenerador, pero con menos velocidad y energía (por las razones que se explican a continuación) y más turbulencia (ya que el aerogenerador ha interrumpido su flujo).
Cómo las turbinas cosechan la máxima energía
Si alguna vez has estado debajo de una gran turbina eólica, sabrás que son absolutamente gigantescas y están montadas en torres increíblemente altas. Cuanto más largas sean las palas del rotor, más energía podrán captar del viento. Las palas gigantes (típicamente 70m o 230 pies de diámetro, que es aproximadamente 30 veces la envergadura de un águila) multiplican la fuerza del viento como una rueda y un eje, por lo que una brisa suave es suficiente para hacer que las palas giren. Aún así, las turbinas eólicas típicas permanecen inactivas alrededor del 14 por ciento del tiempo, y la mayoría de las veces no generan la máxima potencia. Sin embargo, esto no es un inconveniente, sino una característica deliberada de su diseño que les permite trabajar de forma muy eficiente con vientos siempre cambiantes. Piénsalo de esta manera. Los coches no circulan siempre a toda velocidad: el motor y la caja de cambios de un coche accionan las ruedas tan rápido o tan despacio como sea necesario en función de la velocidad del tráfico. Los aerogeneradores son análogos: al igual que los automóviles, están diseñados para funcionar eficientemente a diferentes velocidades.
Una góndola típica de un aerogenerador se encuentra a 85 metros (280 pies) del suelo, es decir, como 50 adultos altos parados sobre los hombros del otro. Hay una buena razón para esto. Si alguna vez ha estado parado en una colina que es el punto más alto en millas a la redonda, sabrá que el viento viaja mucho más rápido cuando está libre de edificios, árboles, colinas y otras obstrucciones a nivel del suelo. Por lo tanto, si se colocan las palas de los rotores de una turbina en el aire, capturan considerablemente más energía eólica de la que podrían reducir. (Si se monta el rotor de un aerogenerador el doble de alto, normalmente se obtiene un tercio más de potencia). Y capturar energía es lo que son las turbinas eólicas.
Dado que las palas de un aerogenerador están girando, deben tener energía cinética, la cual “roban” del viento. Ahora es una ley básica de la física (conocida como la conservación de la energía) que no se puede hacer energía de la nada, por lo que el viento debe realmente disminuir ligeramente cuando pasa alrededor de una turbina eólica. Eso no es realmente un problema, porque normalmente hay mucho más viento detrás! Es un problema si quieres construir un parque eólico: a menos que estés en un lugar realmente ventoso, tienes que asegurarte de que cada turbina esté a una buena distancia de las que la rodean para que no se vea afectada por ellas.
