El documento describe la energía eólica y los componentes principales de los sistemas de generación de energía eólica. Explica que la energía eólica aprovecha la energía cinética del viento para generar electricidad mediante aerogeneradores que convierten el movimiento del viento en energía eléctrica. Los principales componentes de un sistema eólico son las turbinas eólicas, ya sean de eje horizontal o vertical, así como los sistemas de orientación, generadores, frenos e inversores necesarios.
2. Energía eólica
La energía eólica es una fuente de energía renovable que aprovecha la energía cinética del
viento para generar electricidad. Los aerogeneradores son los dispositivos mecánicos que
convierten la energía eólica en electricidad. Consisten en grandes turbinas que, cuando el
viento sopla, giran un rotor que está conectado a un generador, el cual produce
electricidad.
Sin embargo, hay limitaciones en cuanto a cuánta energía se puede extraer del viento.
Según el Principio de Betz, la cantidad máxima de energía que se puede extraer del viento
es de alrededor del 59.3% de la energía cinética total del viento.
Los aerogeneradores también se diseñan para cortar a ciertas velocidades de viento para
prevenir daños. Tienen una velocidad de corte baja, a la que comienzan a generar
electricidad, y una velocidad de corte alta, a la que se detienen para evitar sobrecargas.
3. Detalles de la energía eólica:
Ventajas: La energía eólica es renovable, no produce emisiones de gases
de efecto invernadero, y puede reducir la dependencia de los
combustibles fósiles.
Desventajas: La generación de energía eólica es intermitente (el viento
no siempre sopla), puede generar ruido y puede tener un impacto visual
en el paisaje. Además, la ubicación de los aerogeneradores puede
afectar a las aves y otros animales voladores.
Factores a tener en cuenta para la instalación de un parque eólico: Los
factores clave a considerar incluyen la velocidad y la consistencia del
viento en la ubicación, la proximidad a la red eléctrica, y consideraciones
ambientales y sociales.
4. Un anemómetro es un instrumento para medir la
velocidad o rapidez de los gases ya sea en un flujo
contenido, como el flujo de aire en un conducto, o en
flujos no confinados, como un viento atmosférico.
El eje está conectado a un generador eléctrico que
convierte la energía cinética del viento en electricidad.
La velocidad del viento determina la velocidad de
rotación de las hélices, lo que a su vez produce una
señal eléctrica proporcional a la velocidad del viento.
¿Cómo se calcula la velocidad del viento?
La velocidad del viento durante el día (m/s) se puede
estimar a partir de la expresión: Ud =
[2U(Ud/Un)]/[(1+(Ud/Un)] Ud : velocidad del viento
diurna Un : velocidad del viento nocturna U : velocidad
del viento como media de las 24 horas.
Anemómetro
5. Los dispositivos más comúnmente utilizados para generar energía eólica son las
turbinas eólicas, que vienen en dos formas principales: de eje horizontal y de eje
vertical.
Turbinas de eje horizontal (HAWTs): Son el tipo más común de turbina eólica y la que
la mayoría de la gente asocia con la energía eólica. Tienen dos o tres palas que giran
alrededor de un eje horizontal. Las HAWTs son más eficientes que las VAWTs y
pueden ser muy grandes, algunas alcanzan hasta 100 metros de altura y con palas
de 60 metros de longitud, generando hasta 5MW de potencia. Están diseñadas para
apuntar hacia el viento (esto se llama "enfrentamiento al viento") y necesitan un
sistema de orientación para hacerlo.
Turbinas de eje vertical (VAWTs): Estas turbinas tienen el eje de rotación vertical al
suelo. Las ventajas de este diseño son que no necesitan ser enfrentadas al viento y
que la maquinaria principal (generador, caja de cambios, etc.) puede ser colocada en
la base de la turbina, lo que facilita el mantenimiento. Sin embargo, generalmente son
menos eficientes que las HAWTs y se utilizan menos en las aplicaciones a gran
escala.
Dispositivos de generación de energía eólica
6. Además de la turbina en sí, un sistema de energía eólica también necesita una serie de
otros componentes, incluyendo:
Sistema de orientación: Para las HAWTs, que necesitan enfrentarse al viento para
funcionar eficientemente.
Generador: Convierte la energía mecánica del giro de la turbina en energía eléctrica.
Sistema de frenado: Para evitar que la turbina gire demasiado rápido en condiciones de
viento fuerte.
Inversor: Convierte la corriente continua generada por la turbina en corriente alterna, que
puede ser utilizada en el hogar o exportada a la red.
Torre: Eleva la turbina por encima del suelo para que pueda captar el viento más fuerte
disponible.
Dispositivos de generación de energía eólica
7. La energía eólica, al igual que otras formas de energía renovable, se genera de forma intermitente: solo
produce electricidad cuando el viento está soplando. Por lo tanto, es esencial tener una forma de almacenar
esta energía para poder utilizarla cuando se necesita.
Una forma común de almacenar la energía eólica es mediante el uso de baterías. Cuando el viento sopla y la
energía se genera, el exceso de electricidad que no se utiliza inmediatamente puede ser almacenado en
baterías para su uso posterior. Las baterías de ion de litio son comúnmente utilizadas debido a su alta
eficiencia de almacenamiento y su capacidad para liberar energía rápidamente.
Otra forma de almacenamiento es a través de sistemas de almacenamiento de energía de bombeo hidráulico.
Cuando hay exceso de energía, se utiliza para bombear agua a un embalse en lo alto de una colina. Cuando
se necesita la energía, el agua se libera y fluye cuesta abajo, donde pasa a través de una turbina y genera
electricidad.
Un tercer método de almacenamiento es el almacenamiento de energía térmica, donde el exceso de energía
se utiliza para calentar un material (como sal fundida), que luego puede ser utilizado para generar electricidad
cuando se necesita.
Cada uno de estos métodos de almacenamiento tiene sus propias ventajas y desventajas, y la elección del
método más adecuado puede depender de una serie de factores, incluyendo la ubicación, la escala de la
instalación eólica, los costos y la infraestructura disponible.
Almacenamiento de energía eólica
8. Generación de energía eléctrica para alimentar 10 casas en una zona de
Brasil.
Vamos a considerar una ubicación ideal para la energía eólica en Brasil: el noreste de Brasil, especialmente el
estado de Ceará, que es conocido por tener algunas de las velocidades de viento más altas y constantes en el
país, con una velocidad promedio de viento de alrededor de 7-9 m/s.
Supongamos que utilizamos una turbina eólica de eje horizontal de tamaño mediano, con una potencia
nominal de 10 kW. Esta turbina comenzaría a generar energía con una velocidad del viento de alrededor de 3
m/s, pero no alcanzará su potencia máxima hasta que la velocidad del viento sea de alrededor de 12-14 m/s.
En Brasil, el consumo eléctrico medio de una vivienda es de aproximadamente 1600 kWh al año. Para 10
casas, necesitaremos alrededor de 16,000 kWh al año.
Si la turbina de 10 kW funciona a su máxima eficiencia durante todo el año, generaría alrededor de 87,600
kWh (10 kW * 24 horas * 365 días). Sin embargo, a pesar de las condiciones de viento favorables, es poco
probable que la turbina funcione a su máxima eficiencia durante todo el año debido a las variaciones en la
velocidad del viento y a otros factores como el mantenimiento. Si asumimos una eficiencia del 35%, la turbina
generaría alrededor de 30,660 kWh al año.
Este cálculo sugiere que una única turbina de 10 kW sería suficiente para alimentar 10 casas en el noreste de
Brasil, con un exceso significativo de energía. Sin embargo, esto es una estimación y en la práctica, la
generación real de energía puede variar dependiendo de muchos factores, incluyendo las variaciones en la
velocidad del viento, la eficiencia de la turbina, y el consumo real de energía de las casas.
9. Mantenimiento de los dispositivos de generación de energía eólica
Entre las partes específicas de una turbina eólica que requieren atención de mantenimiento
se incluyen:
El sistema de generación eléctrica: que incluye el generador, el convertidor de potencia y el
transformador.
El sistema de control: que incluye los sensores, los controles de la hoja, los sistemas de
seguridad y los sistemas de comunicación.
El tren de potencia: que incluye la caja de cambios, los rodamientos y el acoplamiento.
Las palas del rotor: estas requieren inspecciones periódicas para detectar daños o
desgaste. En algunos casos, pueden necesitar ser limpiados, reparados o reemplazados.
La torre y la fundación: que deben ser inspeccionados para detectar signos de corrosión,
fisuras u otros problemas estructurales.
Además, el mantenimiento de una instalación de energía eólica también puede implicar
tareas como la gestión de la vegetación alrededor de la base de la turbina, el mantenimiento
de los sistemas de iluminación y marcado, y el mantenimiento de las infraestructuras de
acceso y electricidad.
