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¿Cómo funcionan las turbinas de eje horizontal?

marzo 16, 2022
¿Cómo funcionan las turbinas de eje horizontal?

Principio de funcionamiento de los aerogeneradores

El tamaño de los aerogeneradores varía mucho. La longitud de las palas es el principal factor que determina la cantidad de electricidad que puede generar un aerogenerador. Los pequeños aerogeneradores que pueden alimentar una sola vivienda pueden tener una capacidad de generación de electricidad de 10 kilovatios (kW). Las mayores turbinas eólicas en funcionamiento tienen capacidades de generación de electricidad de hasta kilovatios (10 megavatios), y se están desarrollando turbinas más grandes. Las grandes turbinas suelen agruparse para crear centrales eólicas, o parques eólicos, que suministran energía a las redes eléctricas.

Las turbinas de eje horizontal tienen palas como las hélices de los aviones y suelen tener tres palas. Las mayores turbinas de eje horizontal son tan altas como edificios de 20 pisos y tienen palas de más de 30 metros de largo. Las turbinas más altas con palas más largas generan más electricidad. Casi todas las turbinas eólicas que se utilizan actualmente son de eje horizontal.

Las turbinas de eje vertical tienen palas unidas a la parte superior e inferior de un rotor vertical. El tipo más común de turbina de eje vertical -la turbina eólica Darrieus, llamada así por el ingeniero francés Georges Darrieus, que patentó el diseño en 1931- tiene el aspecto de un gigantesco batidor de huevos de dos palas. Algunas versiones de la turbina de eje vertical miden 30 metros de alto y 50 de ancho. Hoy en día se utilizan muy pocos aerogeneradores de eje vertical porque no funcionan tan bien como los de eje horizontal.

Diagrama de un aerogenerador de eje horizontal

Los aerogeneradores de eje vertical son turbinas eólicas cuyos rotores giran alrededor de un eje vertical con palas orientadas verticalmente. Producen electricidad utilizando la energía eólica del mismo modo que los aerogeneradores de eje horizontal: el viento hace girar el rotor, la rotación se conecta al generador y éste convierte la energía mecánica en electricidad.

Considerados actualmente como un producto para un nicho de mercado, los aerogeneradores de eje vertical son, de hecho, los primeros registrados. El uso de estos modelos mecánicos se remonta a la época persa, en el siglo VII, para la molienda y el bombeo. En 1887, el ingeniero eléctrico y académico escocés James Blyth construyó uno de los primeros aerogeneradores de generación de electricidad de los que se tiene constancia, utilizando también la estructura de eje vertical.

La particularidad de los aerogeneradores de eje vertical es la variedad de diseños posibles -palas, estructuras, formas- que determinan el principio de funcionamiento, el rendimiento y las aplicaciones. Los aerogeneradores de eje vertical tienen muchas formas, pero técnicamente pueden clasificarse en dos grupos en función de sus principios de funcionamiento:

Turbina eólica horizontal para el hogar

El propósito del rotor, por supuesto, es convertir el movimiento lineal del viento en energía rotativa que pueda utilizarse para accionar un generador. El mismo principio básico se utiliza en una turbina de agua moderna, donde el flujo de agua es paralelo al eje de rotación de las palas de la turbina.

Las turbinas eólicas de eje vertical (VAWT, por sus siglas en inglés) son un poco como las ruedas de agua en ese sentido. (Algunos tipos de turbinas de eje vertical podrían funcionar también con un eje horizontal, pero difícilmente podrían superar la eficiencia de una turbina de tipo hélice).

La única turbina de eje vertical que se ha fabricado comercialmente en volumen es la máquina Darrieus, llamada así por el ingeniero francés Georges Darrieus, que patentó el diseño en 1931. (La fabricó la empresa estadounidense FloWind, que quebró en 1997). La máquina Darrieus se caracteriza por sus palas de rotor en forma de C, que la hacen parecerse a un batidor de huevos. Normalmente se construye con dos o tres palas.

3) La máquina no es autoarrancable (por ejemplo, una máquina Darrieus necesitará un «empujón» antes de arrancar. Sin embargo, esto es sólo un inconveniente menor para una turbina conectada a la red, ya que se puede utilizar el generador como un motor que toma corriente de la red para arrancar la máquina).

Aerogenerador horizontal

Los aerogeneradores de eje horizontal son lo que la mayoría de la gente imagina cuando habla de turbinas eólicas: los gigantescos ventiladores blancos que se alzan a lo largo de las costas o en vastos campos. Debido a su alto rendimiento y a su gran potencia, son las turbinas más utilizadas, sobre todo en instalaciones comerciales e industriales.

El rotor de un aerogenerador de eje horizontal incluye tres largas palas conectadas a un eje horizontal. En lugar de ser completamente planas, las palas del rotor tienen una forma aerodinámica similar a la de las alas de un avión, de modo que pueden recoger la fuerza de sustentación del viento. La fuerza ascendente genera un par motor que provoca la rotación. Cuando reciben el viento, las palas giran como un ventilador. Los modernos aerogeneradores de eje horizontal suelen tener un diámetro de entre 40 y 90 metros de largo.

Conectada con el rotor, la góndola alberga los componentes operativos que soportan el generador de electricidad de un aerogenerador. Entre ellos se encuentran la caja de engranajes, el generador, el freno y el controlador.

El rotor suele girar a una velocidad inferior. La caja de engranajes, situada entre el rotor y el generador, convierte la lenta rotación de las palas en una rotación más rápida, más adecuada para accionar un generador eléctrico. Por término medio, mientras el rotor gira a una velocidad de 20 rpm, el generador necesita 1000 rpm para generar electricidad.

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