Una turbina es una máquina que convierte la energía cinética de un fluido en movimiento en trabajo útil o energía mediante un sistema de rotor. El engranaje mecánico o la inducción electromagnética permiten que las turbinas generen energía de esta manera. Existen diferentes tipos de turbinas, pero las más comunes se clasifican en turbinas eólicas de eje horizontal y vertical. En este artículo, aprenderá todo sobre las turbinas eólicas de eje horizontal, sus funciones y los tipos de turbinas eólicas de eje horizontal.
¿Qué es una turbina eólica de eje horizontal?
El tipo de turbina eólica más común en funcionamiento hoy en día es la turbina eólica de eje horizontal (HAWT). Las HAWT tienen un rotor con palas aerodinámicas (es decir, perfiles aerodinámicos) acopladas; este rotor puede orientarse hacia el viento o en dirección opuesta. Las turbinas eólicas de gran altitud suelen tener dos o tres palas que giran a velocidades muy altas. Las palas cónicas de los rotores orientados a sotavento permiten que la turbina se autooriente hacia el viento, pero los rotores orientados contra el viento necesitan un sistema de guiñada o una aleta de cola para orientarse correctamente. Sin embargo, se ha observado que los rotores orientados a sotavento tienden a desviarse al alinearse con vientos de baja velocidad, lo que resulta en una menor producción de energía a esas velocidades.
Los aerogeneradores de eje horizontal (HAWT) cuentan con ejes montados horizontalmente y perpendiculares al suelo. Al igual que los aerogeneradores de eje vertical (VAWT), pueden tener dos o tres palas. Hasta la fecha, el HAWT de tres palas ha demostrado ser el diseño más eficaz; sin embargo, tanto los modelos de rotor de dos palas como los de rotor orientado hacia el viento han tenido cierto éxito. La turbina de la góndola puede orientarse a barlovento (delante) o a sotavento (trasera). Los dispositivos de sotavento no necesitan un sistema de orientación mecánico, ya que siempre apuntan en la dirección del viento. El balanceo constante provocado por las ráfagas de viento es su mayor inconveniente, ya que provoca mayor fatiga. Veamos ahora los tipos de aerogeneradores de eje horizontal.
¿Cuáles son los tipos de turbinas eólicas de eje horizontal?
Las turbinas eólicas de eje horizontal tienen un diseño muy eficaz y son muy populares en el mercado. Al igual que otras turbinas eólicas, también existen turbinas eólicas de eje horizontal. Los tipos son los siguientes:
1. Turbina contra el viento
El rotor de una turbina eólica de barlovento se instala en la parte superior de la torre . El objetivo principal de esta turbina es evitar que el viento proyecte sombra sobre la parte posterior de la torre. Debido a su rigidez y a que está alejada de la torre, esta configuración se utiliza actualmente en la mayoría de las turbinas eólicas de eje horizontal (HAWT).
2. Turbina a favor del viento
El rotor de una turbina eólica de sotavento se ubica en la base de la estructura . Esta turbina dirige el viento primero hacia la torre y luego hacia las palas del rotor. Debido a que el rotor pasa por la zona de sombra de la torre, esta turbina experimenta variaciones en la potencia del viento. En este caso, las fluctuaciones de la potencia del viento se deben a la posición del rotor detrás de la góndola de la torre. Esto debería haberle ayudado a comprender los tipos de turbinas eólicas de eje horizontal.
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¿Cuál es el principio de funcionamiento de una turbina eólica de eje horizontal?
Tras comprender los tipos de turbinas eólicas de eje horizontal, veamos también su principio de funcionamiento. El rotor convierte la energía eólica en par motor , que se transmite a un eje de baja velocidad. La góndola protege la caja de engranajes, el eje de alta velocidad y el generador, que reciben la energía del eje de baja velocidad. Las palas están unidas al rotor y al eje. Este eje se denomina eje de baja velocidad porque el conjunto giratorio gira impulsado por el viento a una velocidad de tan solo 10 a 20 rpm.
Para lograr la frecuencia de salida deseada de 60 Hz, el eje de baja velocidad se conecta a la caja de engranajes, que cuenta con un sistema de engranajes que aumenta la velocidad de salida del eje a aproximadamente 1,800 rpm (o 1,500 rpm si la frecuencia es de 50 Hz). Por este motivo, el eje que sale de la caja de engranajes se suele denominar eje de alta velocidad. Finalmente, el eje de alta velocidad se acopla al generador , que transforma el movimiento rotatorio en corriente alterna. Si se utiliza esta velocidad para hacer girar directamente el generador, la frecuencia de la salida de CA es directamente proporcional a la velocidad de giro del generador.
Las turbinas eólicas de accionamiento directo, por ejemplo, suelen utilizar un generador de CC en lugar de uno de CA y carecen de caja de engranajes. No está claro si incluyen un convertidor de CA a CC (que puede estar ubicado en la base de la torre). En las turbinas industriales, el controlador utiliza un controlador lógico programable (PLC) o una computadora. El controlador, que utiliza las lecturas del anemómetro, decide la orientación de la turbina, la energía que debe captar y si se le permite acelerar durante vientos fuertes. Este es el principio de funcionamiento de una turbina eólica de eje horizontal. A continuación, exploraremos los componentes de una turbina eólica de eje horizontal.
¿Qué son los componentes de una turbina eólica de eje horizontal?
Los componentes de una turbina eólica de eje horizontal incluyen una base, una torre, una góndola, un generador, palas del rotor, un buje, un eje, cajas de engranajes y anemómetros.
1. Base: La torre y otros componentes de una turbina eólica pesan una cantidad considerable de toneladas; por lo tanto, deben estar firmemente sujetos a una base sólida como una roca.
2. Torre: Estructura alta que sostiene el buje del rotor y la góndola. Puede estar fabricada con celosía de acero, hormigón o acero tubular. Un aspecto clave en el diseño de turbinas eólicas de eje horizontal es la altura de la torre. Aumentar la altura de la torre permite que las turbinas absorban más energía eólica y produzcan más electricidad, ya que la velocidad del viento aumenta con la altitud. Generalmente, aumentar la altura de un sistema eólico resulta en una mayor generación de energía y también reduce la turbulencia del viento.
3. Palas del rotor: Las palas de las turbinas eólicas capturan la energía cinética del viento y la convierten en energía mecánica. Estas palas están construidas con madera-epoxi o poliéster reforzado con fibra de vidrio. Según el diseño, las turbinas eólicas pueden tener una, dos, tres o más palas. Las turbinas eólicas de eje horizontal (HAWT) de tres palas son lo habitual. Estas se fijan al buje del rotor. Antiguamente, se utilizaban varias palas para bombear agua, moler alimentos y realizar otras tareas.
4. Góndola: La góndola alberga los componentes clave de la turbina. La caja de engranajes, los ejes de alta y baja velocidad, el generador, el controlador y los frenos se instalan en la parte superior de la torre. La góndola está equipada con un anemómetro para medir la velocidad del viento y una veleta para detectar su dirección.
5. Buje: Para conectar una pala del rotor al eje de una turbina eólica se requiere un buje. El buje, los pernos, los cojinetes de las palas, el sistema de paso y los componentes internos conforman el conjunto del buje. En la fabricación de bujes de rotor se utilizan acero, hierro y acero forjado, y el proceso de soldadura es esencial. A continuación, se muestran algunos ejemplos de bujes de rotor:
6. Ejes: El eje transmite potencia a las ruedas motrices. Los niveles de par y tensión en la construcción de acero hueco o macizo de un eje de transmisión son extremadamente altos. Mediante el uso de ejes de transmisión, la energía mecánica del cubo de la pala se puede enviar al generador, lo que le permite convertir el movimiento de rotación en corriente eléctrica. Normalmente, una turbina eólica tendrá dos ejes.
7. Cajas de engranajes: El eje de salida de la caja de engranajes está acoplado al generador para transferir energía mecánica rotacional. La ley de inducción electromagnética de Faraday es el principio fundamental de su funcionamiento. Es un dispositivo que produce electricidad a partir de energía mecánica. En el caso de las turbinas eólicas, existen varios tipos de cajas de engranajes: transmisión planetaria, caja de engranajes helicoidales y transmisión con engranajes de tornillo sin fin.
8. Anemómetros: La magnitud de la energía cinética del viento depende en gran medida de su velocidad. El cubo de la velocidad del viento es directamente proporcional a la potencia del viento. Al elegir una ubicación, es fundamental tener en cuenta la velocidad media del viento en la zona. Un anemómetro es un instrumento que se utiliza para determinar la velocidad de una corriente de viento. Normalmente, se encuentran sobre la góndola del motor.
Véase también: Ventajas y desventajas de la energía mareomotriz.
¿Para qué se utilizan las turbinas de eje horizontal?
Para maximizar la producción de energía y la eficiencia energética, las centrales eólicas a gran escala suelen utilizar turbinas eólicas de eje horizontal. Estas turbinas eólicas se ven típicamente en
- Instalaciones de fabricación
- Grandes parques eólicos
- Edificios patrocinados por el gobierno
Con esto, ya sabes para qué se utilizan las turbinas de eje horizontal. A continuación, te recomendamos que aprendas sobre las ventajas y desventajas de las turbinas eólicas de eje horizontal.
¿Cuáles son las ventajas y desventajas de las turbinas eólicas de eje horizontal?
Al igual que otros dispositivos, las ventajas y desventajas de las turbinas eólicas de eje horizontal son bastante evidentes. Analicémoslas a fondo aquí.
Ventajas de la turbina eólica de eje horizontal-
1. Generaciones poderosas
Según la aplicación, las turbinas eólicas de eje horizontal pueden tener una potencia de salida de entre 2 MW y 8 MW. Una turbina eólica terrestre con una capacidad de 2.5 a 3.0 MW puede generar alrededor de 6 millones de kWh al año, suficiente para abastecer a 1,500 hogares típicos de la UE. Esto depende del tamaño de la turbina y de la velocidad del viento.
2. Suficientemente confiable
Las turbinas eólicas de eje horizontal han dominado el mercado durante muchos años, por lo que su diseño y desarrollo se encuentran en un estado avanzado. Se investigan tanto la practicidad como la utilidad de las turbinas eólicas de eje horizontal, ya disponibles en el mercado, y su potencial desarrollo futuro.
3. Vientos operativos excepcionalmente fuertes
Las turbinas eólicas de eje horizontal captan el viento a mayor velocidad debido a la altura de sus rotores. Esto significa que probablemente funcionarán a velocidades de viento más elevadas, lo cual es ideal para su rendimiento. El flujo de aire a gran altitud suele ser constante, lo que convierte a las turbinas eólicas de eje horizontal en una fuente de energía renovable más fiable.
4. Eficiencia a un nivel muy alto
Es imposible convertir energía sin que se desperdicie parte de ella. Un objetivo fundamental del desarrollo de nuevos productos en el sector de la energía eólica es cómo aumentar la eficiencia de la conversión energética. Por el momento, las turbinas eólicas más productivas son las de eje horizontal. Son lo suficientemente eficientes como para convertir entre el 40 y el 50 por ciento de la energía eólica incidente en electricidad utilizable.
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Desventajas de las turbinas eólicas de eje horizontal:
1. Difícil de mover, instalar y mantener en funcionamiento.
Debido a su gran tamaño , las turbinas eólicas de eje horizontal presentan importantes obstáculos logísticos y técnicos durante su transporte e instalación. Sus palas pueden alcanzar los 70 metros de longitud y las 20 toneladas de peso, lo que dificulta su instalación en las carreteras estrechas y sinuosas típicas de las regiones montañosas o en las calles urbanas habituales, donde a los lados se encuentran viviendas, líneas de servicios públicos y farolas.
2. Causar daño al medio ambiente.
Todavía existe mucho debate y controversia en torno al impacto de las turbinas eólicas de eje horizontal en el medio ambiente . El rugido de las enormes aspas al cortar el aire, la enorme sombra que proyectan y la alteración que provocan en la fauna y los ecosistemas circundantes son motivos de preocupación.
3. Cambio en el ecosistema marino
Es probable que las turbinas eólicas marinas alteren el ecosistema marino de maneras que aún no comprendemos, mientras que las palas de las turbinas eólicas de eje horizontal representan un riesgo de colisión con criaturas voladorasMúltiples estudios han encontrado que las turbinas eólicas no son directamente responsables de más del uno por ciento de las muertes anuales de aves en los Estados Unidos causadas por accidentes con objetos y prácticas artificiales.
4. Requisitos estrictos para la instalación
Las regulaciones para el desarrollo e instalación de turbinas eólicas pueden representar obstáculos, a pesar de que gobiernos de todo el mundo han ofrecido incentivos para impulsar la revolución de las energías renovables . Por ejemplo, para una turbina eólica de eje horizontal, la distancia mínima requerida con respecto a una vivienda colindante suele ser cuatro veces la altura total de la turbina. El gobierno municipal debe realizar un estudio de ruido antes de autorizar la construcción de un parque eólico. Es fundamental considerar tanto el ruido ambiental como el ruido que generará la turbina. Si bien suele haber una regla general, la normativa puede variar según factores como el contexto político, social y ambiental.
Las turbinas eólicas de eje horizontal (HAWT) desempeñan y seguirán desempeñando un papel importante en el futuro de las energías renovables. Es fundamental comprender todos los aspectos de estas tecnologías, como las ventajas y desventajas de las turbinas eólicas de eje horizontal, los tipos de turbinas, etc. Esto ayuda a prepararse para el futuro que se avecina.
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