Cómo funciona una turbina eólica

Dependiendo de los recursos eólicos disponibles, una turbina puede reducir las facturas de electricidad entre un 50 y un 90 %, ayudar a evitar los altos costes de tender líneas eléctricas a ubicaciones remotas, prevenir cortes de energía y, lo más importante, ser respetuosa con el medio ambiente.

En este artículo, exploraremos los fundamentos de las turbinas eólicas: sus tipos, tamaños, eficiencia, ventajas y desventajas, funcionamiento, instalación, mantenimiento y los anillos rozantes. Cada capítulo contiene una descripción de las investigaciones y un análisis exhaustivo de los temas tratados.

Las turbinas eólicas requieren una transmisión estable de energía y señales de datos desde la góndola hasta la sección de control de las palas del rotor. Los anillos rozantes garantizan la eficiencia y fiabilidad requeridas en condiciones ambientales difíciles.

Los costosos tiempos de inactividad de las turbinas eólicas se pueden limitar mediante el uso de escobillas de fibra y materiales duraderos en la construcción de los anillos rozantes.

Ventajas de los anillos rozantes:

• Pueden funcionar a diferentes temperaturas
• Se caracterizan por una alta fiabilidad
• No requieren inspecciones regulares
• No necesitan lubricación
• Producen una contaminación mínima por desgaste

¿Qué es una turbina eólica?

Las turbinas eólicas son una modificación moderna de los molinos de viento tradicionales, populares en el siglo XIX. Su objetivo es reducir la dependencia de los combustibles fósiles y generar energía de una manera renovable y ecológica.

Datos sobre las turbinas eólicas

Las turbinas eólicas utilizan la energía cinética del viento, que mueve las palas, haciendo girar un motor que convierte la energía cinética en energía mecánica y luego en energía eléctrica.

En pocas palabras, la turbina funciona al revés que un ventilador: en lugar de utilizar electricidad para mover el aire, utiliza el viento para generar electricidad.

Aplicaciones de las turbinas eólicas

Desde hace siglos, las personas utilizan la fuerza del viento, desde los molinos de viento en los Países Bajos hasta los ranchos en EE. UU., donde servían para bombear agua y moler grano. Hoy en día, su forma moderna, la turbina eólica, produce energía eléctrica.

Las turbinas se construyen sobre torres para capturar más energía cinética. A una altura de 30 metros, el viento es más fuerte y estable. Por lo general, una turbina tiene 2 o 3 palas que forman el rotor.

Las palas actúan como alas de avión: la diferencia de presión por encima y por debajo de ellas provoca un movimiento de rotación que impulsa el generador.

Las turbinas pueden operar de forma autónoma (fuera de la red, off-grid) o estar conectadas a la red eléctrica. En aplicaciones industriales, se construyen parques eólicos completos que suministran energía a la red.

Energía renovable eólica

La energía eólica es una de las fuentes renovables de más rápido crecimiento. A nivel mundial, su capacidad instalada aumentó de 7,5 GW en 1977 a 574 GW en 2018.

Entre 2009 y 2013, la producción de energía eólica se duplicó, y en 2016 representó el 16 % del total de energía renovable.

Las turbinas modernas alcanzan una potencia de 2 MW (en tierra) a 5–8 MW (en alta mar).

Factores que influyen en la producción de energía eólica

Los factores más importantes:

• la velocidad del viento,
• la densidad del aire,
• el diámetro de las palas.

Mayor velocidad del viento = más energía. Sin embargo, un viento demasiado fuerte puede dañar la turbina, por lo que se aplican velocidades límite (cut-in y cut-out).

Un aire más denso (más frío, bajo mayor presión) proporciona una mayor eficiencia.

Las palas más grandes capturan más energía, pero requieren más espacio y vientos más fuertes.

¿Qué sucede cuando no hay viento?

Las turbinas producen energía solo cuando hay viento. Cuando el viento cesa, la energía se suministra desde otras fuentes, por ejemplo, gas o hidroelectricidad. Ninguna fuente de energía funciona sin interrupción; incluso las centrales nucleares a veces tienen paradas. Por eso, la energía eólica funciona mejor en colaboración con la energía hidroeléctrica.

Partes principales de una turbina eólica

• Cimentación – conecta la torre con el suelo, generalmente de hormigón armado con acero.
• Torre – la parte más grande y pesada (50–150 m de altura). Cuanto más alta, mejores son las condiciones del viento.
• Rotor – recoge la energía del viento y la transmite al sistema de accionamiento.
• Góndola (nacelle) – contiene la caja de cambios, el eje y el generador. Gira para orientar la turbina hacia el viento.

Interior de la turbina eólica

• Anemómetro – mide la velocidad del viento.
• Palas – se mueven por el viento.
• Frenos – detienen el rotor en caso de fallo.
• Controlador – enciende y apaga la turbina según la velocidad del viento.
• Caja de cambios (gearbox) – aumenta la velocidad de rotación de 30–60 rpm a 1000–1800 rpm.
• Generador – produce energía eléctrica.
• Eje de baja y alta velocidad – transmite la potencia de las palas al generador.
• Sistema de orientación (yaw) – posiciona la turbina hacia el viento.

Tipos, tamaños y eficiencia de las turbinas eólicas

Tipos de turbinas

Eje horizontal (Horizontal Axis Turbines) – las más comunes, las palas están orientadas hacia el viento.

• Terrestres (On-shore)
• Marinas (Off-shore)
• Cercanas a la costa (Near-shore)

Eje vertical (Vertical Axis Turbines) – palas verticales, todos los elementos cerca del suelo.

• Darrieus (Eggbeater)
• Giromill
• Savonius
• Savonius torcida (Twisted Savonius)

Entubadas (Ducted Turbines) – montadas en los bordes de los edificios, utilizan el flujo de aire a lo largo de las paredes.

Tamaños de las turbinas eólicas

Las turbinas eólicas se pueden dividir en tres grupos principales en términos de potencia, diámetro del rotor y altura de la torre:

Las turbinas domésticas tienen una potencia de hasta aproximadamente 20–50 kW, un diámetro de rotor de 1 a 15 metros y una altura de torre en el rango de 15–40 metros. Se utilizan principalmente en hogares, granjas o pequeñas instalaciones de servicios, donde pueden cubrir una parte significativa de la demanda de electricidad.

Las turbinas de potencia media alcanzan de 50 kW a 1 MW, con un diámetro de rotor de 15–50 metros y una altura de torre de 30–80 metros. Se aplican en pequeños parques eólicos, plantas industriales y en áreas donde hay recursos eólicos moderados disponibles.

Las turbinas comerciales se caracterizan por una potencia de 1 MW a más de 10 MW, un diámetro de rotor que oscila entre 80 y 180 metros y una altura de torre que alcanza hasta 150 metros. Estas unidades se utilizan en grandes parques eólicos — tanto terrestres (onshore) como marinos (offshore) — destinadas a la producción de energía a escala industrial y se conectan directamente a la red eléctrica.

Eficiencia de las turbinas

La eficiencia es la relación entre la energía obtenida y la energía disponible. El máximo teórico es el límite de Betz – 59,3 %, en la práctica, las turbinas alcanzan alrededor del 80 % de este límite.

Ventajas y desventajas de las turbinas eólicas

Ventajas de las turbinas horizontales

• Estabilidad gracias a la posición del centro de gravedad
• Posibilidad de ajuste de las palas (pitch control)
• Torres altas – acceso a vientos estables

Desventajas

• Altos costes de transporte y montaje
• Mantenimiento difícil
• Interferencias de radar

Ventajas de las turbinas verticales

• Baratas de mantener
• Fáciles de montar
• No requieren orientación hacia el viento

Desventajas

• Menor eficiencia
• Arranque difícil
• Funcionan solo con vientos fuertes

Ventajas de las turbinas entubadas

• Bajo impacto visual
• Montaje en tejados
• Producción de energía in situ

Desventajas

• Solo para edificios altos
• Requieren estudios preliminares precisos

Cómo funcionan las turbinas eólicas

1.El viento pone en movimiento las palas.

2.Las palas impulsan el eje y la caja de cambios.

3.La caja de cambios aumenta la velocidad de rotación.

4.El generador convierte la energía mecánica en energía eléctrica.

5.El anemómetro y la veleta monitorean las condiciones.

6.El sistema de orientación posiciona la turbina hacia el viento.

7.La energía pasa al transformador y luego a la red.

Instalación de turbinas eólicas

Etapas de la instalación:

1. Preparación de la cimentación

2. Excavación de zanjas para cables

3. Construcción de la torre y montaje de la turbina

4. Cableado y conexión del inversor

5. Conexión a la red

6. Pruebas finales y puesta en marcha

Mantenimiento de las turbinas

La lubricación regular prolonga la vida útil de los componentes.

Los sistemas modernos de lubricación automática reducen los costes y el riesgo de fallos.

Futuro de las turbinas eólicas

La energía eólica es una de las fuentes más prometedoras para reducir las emisiones de CO₂.

La energía de las turbinas marinas (offshore) se está desarrollando de manera especialmente dinámica.

Se están llevando a cabo investigaciones sobre turbinas pequeñas y portátiles para hogares.

Resumen

La energía eólica es una fuente limpia y renovable que está ganando popularidad gracias a la tecnología moderna y la disminución de los costes.

A pesar de algunos desafíos (por ejemplo, colisiones con aves, ruido, impacto visual), innovaciones como las turbinas sin palas pueden superarlos.

Elementos como los anillos rozantes juegan un papel clave en el funcionamiento fiable de las turbinas eólicas, y su elección adecuada influye significativamente en la durabilidad y eficiencia de todo el sistema.