Conoce qué es y cómo funciona la Energía Eólica

energía eólica

La Energía Eólica es la energía cinética de las masas de aire en movimiento alrededor del globo. La raíz etimológica del término “eólico” proviene del nombre del personaje mitológico Eole, conocido en la antigua Grecia como el maestro de los vientos.

La energía eólica es una forma indirecta de energía solar : la radiación solar absorbida en la atmósfera causa diferencias de temperatura y presión. Como resultado, las masas de aire se mueven y acumulan energía cinética. Este puede ser transformado y utilizado para varios propósitos:

  • Transformación en energía mecánica : el viento se usa para conducir un vehículo (velero o yate de arena), para bombear agua (bombear turbinas de viento para regar o regar ganado) o para hacer girar una piedra de molino ;
  • La producción de energía eléctrica  : la turbina eólica está acoplada a un generador eléctrico para fabricar corriente continua o alterna . El generador está conectado a una red eléctrica o funciona dentro de un sistema “autónomo” con un generador auxiliar (por ejemplo, un generador), un banco de baterías u otro dispositivo de almacenamiento de energía . Una turbina eólica a veces se califica como un generador de aire cuando produce electricidad.

La energía eólica es una energía renovable que no produce gases de efecto invernadero directamente durante la fase de operación.

Modos de explotación de la energía eólica:

  • Las turbinas eólicas terrestres que están instaladas en tierra.
  • Las turbinas de viento “mar adentro” se instalan en el mar.

Hay dos tipos de instalaciones:

  • industrial: grandes parques eólicos (o “parques eólicos”) conectados a la red eléctrica;
  • doméstico: pequeñas turbinas eólicas instaladas en casas particulares.

Funcionamiento Técnico y Científico:

El proceso de conversión de energía cinética en energía mecánica o eléctrica

La energía eléctrica o mecánica producida por una turbina eólica depende de tres parámetros: la forma y la longitud de las palas, la velocidad del viento y, finalmente, la temperatura que influye en la densidad del aire.

Energía recuperable por un aerogenerador es proporcional a la superficie barrida por su rotor y al cubo de la velocidad del viento.

La energía recuperable es la energía cinética que se puede extraer. Es proporcional al área barrida por el rotor y al cubo de la velocidad del viento.

La máxima potencia recuperable (P) está dada por la ley de Betz: P = 0.37. S. V 3 ;donde 0.37 es la constancia del aire a la presión atmosférica estándar (1013 hPa), S la superficie barrida, y V la velocidad del viento.

En la práctica, una turbina eólica produce cuatro veces más energía si la pala es el doble de grande y ocho veces más energía si la velocidad del viento se duplica. La densidad del aire también entra en juego: una turbina eólica produce un 3% más de electricidad si, para la misma velocidad del viento, el aire es más frío que 10ºC. La energía eólica depende principalmente de la intensidad del viento y sus variaciones. La energía eólica es, por lo tanto, energía intermitente y aleatoria.

Una turbina eólica comienza cuando la velocidad del viento alcanza aproximadamente 3 m / sy se detiene cuando esta velocidad alcanza los 25 m / s.

El viento es más fuerte y más constante en el mar. Las turbinas eólicas instaladas allí también son más potentes.

El conjunto de cuchilla / rotor está orientado hacia el viento por un sistema de timón. La mayoría de las turbinas eólicas comienzan cuando la velocidad del viento alcanza aproximadamente 3 m / sy se detienen cuando esta velocidad alcanza los 25 m / s. En general, las turbinas eólicas están parametrizadas para aprovechar al máximo los vientos de potencia intermedia.

Retos con la Energía Eólica

Considerado como energía limpia, la energía eólica está en auge. Entre las energías renovables, se considera una tecnología madura y la más económica después de la energía hidroeléctrica .

Según el Global Wind Energy Council (GWEC), la capacidad instalada del parque eólico mundial se ha más que duplicado entre finales de 2010 y finales de 2015. En esta fecha, alcanza casi 432,4 GW. A pesar de este crecimiento, su participación en la producción total de electricidad en el mundo sigue estando limitada a alrededor del 3%.

Más allá de las consideraciones económicas y ambientales, la energía eólica es de particular interés porque puede contribuir a la diversificación de la mezcla eléctrica y  la independencia energética de los países . Esta fuente de energía es a menudo el centro de las estrategias para el desarrollo de nuevas capacidades eléctricas, a pesar de los límites que puede presentar: su aleatoriedad, su rendimiento y su intrusión en los paisajes naturales pueden ser poco aceptados por los residentes locales .

Las ventajas de la energía eólica

  • La energía eólica es renovable y “descarbonatada” durante la fase de explotación .
  • La tierra donde están instaladas las turbinas eólicas todavía es explotable para actividades industriales y agrícolas. La instalación se puede desmontar con relativa facilidad.
  • Su desarrollo costa afuera tiene un potencial significativo.
  • Localmente ubicadas, las turbinas eólicas pueden usarse para satisfacer las necesidades eléctricas masivas así como las necesidades domésticas limitadas, dependiendo de su tamaño.

Los problemas que surgen

  • La energía eólica depende de la potencia y la regularidad del viento.
  • Es una fuente intermitente de energía.
  • Las zonas de desarrollo son limitadas.
  • Las turbinas eólicas pueden desencadenar conflictos ambientales de uso, como la contaminación visual y acústica.
  • Puede haber conflictos sobre el uso de la tierra o el mar con otros usuarios (por ejemplo, pescadores, navegantes).

Pasado y presente

El comienzo del uso de la energía eólica se remonta aproximadamente al 3.000 aC, como parte del uso de los primeros veleros. Después de los primeros molinos de viento fueron inventados por los persas alrededor del 200 aC Esta técnica ha sido importada luego en Europa en la XII ª siglo.

Dos siglos después, nacen los famosos molinos holandeses. Estos molinos se utilizan para convertir aserraderos o hacer petróleo. Pero es en Inglaterra donde se han perfeccionado las formas de las alas. Inglaterra tiene la XIX ª siglo cerca de 10.000 molinos de viento. Desde la década de 1990, el desarrollo tecnológico de las turbinas eólicas ha permitido la construcción de turbinas eólicas.

Futuro

De acuerdo con la estructura energética de los países.

La energía eólica puede integrarse fácilmente en países cuya combinación de electricidad se basa principalmente en combustibles fósiles. Su naturaleza variable está bien compensada por la amplia disponibilidad de centrales eléctricas a gas o carbón (estas últimas, sin embargo, tienen un equilibrio ambiental muy desfavorable). Este es, por ejemplo, el caso de Alemania.

Sin embargo, en países cuya producción de energía basado en la estructura de las fuentes de menor poder adquisitivo para controlar, por lo tanto, menos capaz de responder a los cambios repentinos en la demanda de electricidad, la integración de la energía eólica tiene mayores restricciones.

Además, no todos los países disfrutan del mismo potencial eólico. En el futuro, las innovaciones tecnológicas, el desarrollo de redes inteligentes y soluciones de almacenamiento de electricidad también podrían cambiar el juego.

Viento en alta mar

Las nuevas tecnologías en la energía eólica marina son las más prometedoras en la actualidad. De hecho, algunos países como Dinamarca ya están saturados de turbinas eólicas en tierra. Otros no pueden imponer nuevos asentamientos a sus ciudadanos debido a la imagen negativa que a veces puede tener la opinión pública de las turbinas eólicas en su entorno inmediato. La construcción de estas turbinas eólicas en alta mar, donde los vientos son más fuertes y consistentes, cumple con los imperativos de la sociedad y los requisitos energéticos. También se debe tener en cuenta que la investigación se centra ahora en turbinas eólicas flotantes .

Turbina Eólica Terrestre: Distintos usos y funcionamientos.

turbina Eólica terrestre

Una turbina eólica terrestre o en tierra, se instala por definición en tierra y es diferente de las turbinas eólicas marinas instaladas en el mar . Convierte la energía cinética del viento en energía mecánica.

El proceso de conversión de energía mecánica en energía eléctrica es similar al de una dínamo.

Convirtiendo el movimiento de una rueda en electricidad que alimenta las luces de una bicicleta.

La energía mecánica acumulada se puede usar directamente para bombear agua o moler grano, como lo hacen los molinos.

Hoy en día, en la gran mayoría de los casos, la energía mecánica se transforma por segunda vez en energía eléctrica .

El proceso de conversión de energía mecánica en energía eléctrica es similar al de una dínamo, convirtiendo el movimiento de una rueda en electricidad que alimenta las luces de una bicicleta.

Cuando una turbina eólica produce electricidad, se la puede llamar un aerogenerador.

Los aerogeneradores de eje horizontal son hoy en día la forma más común de turbinas eólicas.

La máquina generalmente consta de 3 cuchillas orientables llevadas por un rotor, que está unido a una góndola que alberga un generador eléctrico.

El conjunto está instalado en la parte superior de un mástil de varias decenas de metros de altura.

Una turbina eólica terrestre de 2 MW promedia de 80 a 125 metros de alto en promedio y puede pesar hasta 300 toneladas.

Se usa un motor para orientar el conjunto de la góndola del rotor de la turbina eólica para colocarlo de cara al viento.

El viento gira las cuchillas (entre 5 y 25 revoluciones por minuto) que accionan el rotor y luego el generador que es integral con ellos.

Los dos modos de explotación de la energía eólica terrestre son:

  • Uso industrial en el contexto de un parque eólico:

Un conjunto de aerogeneradores se agrupan en el mismo sitio que está conectado a la red eléctrica.

  • Uso doméstico para “viento pequeño”:

Las pequeñas turbinas eólicas terrestres también pueden satisfacer las necesidades de las personas o de los pequeños agricultores.

Las turbinas eólicas utilizadas en este caso operan de acuerdo con los mismos principios de conversión de la energía cinética del viento.

Su potencia varía generalmente entre 0.1 y 36 kW y la altura de su mástil es inferior a 35 m.

Estas turbinas de viento pueden suministrar edificios aislados que no están conectados a la red eléctrica o que pueden conectarse a la red para revender la producción.

Funcionamiento Técnico o Científico de una Turbina Eólica Terrestre

Funcionamiento de una turbina eólica convencional (eje horizontal de tres ejes)

Debido al mejor compromiso entre la eficiencia y la velocidad de arranque, el diseño de turbinas eólicas horizontales de tres ejes domina hoy en día el mercado eólico en tierra.

La transformación de la energía cinética del viento en energía mecánica y luego en energía eléctrica se lleva a cabo en cuatro etapas:

la transformación de la energía cinética del viento en energía mecánica

Las cuchillas operan con el mismo principio que las alas de un avión:

*La diferencia de presión entre las dos caras de la cuchilla crea una fuerza aerodinámica y pone el rotor en movimiento.

La potencia del viento y, en consecuencia, la energía mecánica almacenada por la turbina eólica, aumenta con la altitud.

La perturbación de las corrientes de aire es ciertamente menor.

la aceleración del movimiento de rotación gracias al multiplicador

Las palas de una turbina eólica grande funcionan a una velocidad de entre 5 y 15 revoluciones por minuto (cuanto más grande es la turbina eólica, más lenta es la velocidad de rotación).

La mayoría de los generadores de turbina eólica tienen que funcionar a altas velocidades (de 1,000 a 2,000 rpm) para producir electricidad.

Este aumento en la velocidad se logra usando el multiplicador, también llamado caja de engranajes, que es un tren de engranajes.

El multiplicador es una parte pesada y costosa.

Esta es la razón por la cual algunas turbinas eólicas grandes usan generadores de “accionamiento directo” de baja velocidad en los que el rotor impulsa directamente un generador especialmente diseñado sin un paso intermedio de aceleración.

la producción de electricidad por el generador

El generador, ubicado en la góndola de la turbina eólica, es accionado por un eje mecánico.

La energía mecánica transmitida se convierte en energía eléctrica por el generador, a un voltaje de 600 a 1000 voltios.

El tratamiento de la electricidad por el convertidor y el transformador

La electricidad producida por un aerogenerador se procesa mediante un convertidor electrónico.

Esto ajusta la frecuencia de la corriente producida por la turbina eólica a la de la red eléctrica a la que está conectada (50 Hz en Europa).

El voltaje también se incrementa mediante un transformador a 20,000 o 30,000 voltios.

La electricidad se enruta a través de un cable para ser inyectado en la red eléctrica.

Tecnología probada

La turbina eólica terrestre se ha utilizado durante varias décadas.

La retroalimentación es consistente y las variables financieras conocidas.

Las turbinas eólicas terrestres son menos caras de instalar y más fáciles de mantener que las turbinas eólicas marinas.

Y deben responder a los desafíos técnicos más grandes relacionados con las condiciones del medio marino.

Sin embargo, el rendimiento potencial es menos importante en tierra que en alta mar, tanto en términos de calidad, debido a la velocidad reducida y la constancia del viento, como en cantidad, porque el área marina es más grande.

Nuevas formas de optimizar el recurso

El viento es variable y la energía eólica se enfrenta a un problema de intermitencia de la producción de electricidad.

Sin embargo, hoy no existe una solución económicamente satisfactoria para el almacenamiento a gran escala de la electricidad producida .

La propagación de “redes inteligentes” es un camino de desarrollo significativo para integrar la energía eólica en redes eléctricas futuras.

Estos sistemas ayudarán a enfrentar los desafíos del mañana:

  • Gestionar mejor los flujos y suavizar el suministro y la demanda de electricidad.
  • Integrar nuevas fuentes de energía renovable.
  • Llimitar el uso de centrales eléctricas alimentadas con combustibles fósiles (ahora utilizadas para hacer frente a los picos de demanda).

Los países líderes

A fines de junio de 2014, los tres países con mayor capacidad de generación de energía eólica (mixtos en tierra y costa afuera) son:

  • China con una capacidad eólica instalada de 98.6 GW;
  • los Estados Unidos con 61,9 GW;
  • Alemania con 36.5 GW.

China instaló el 40,7% de la nueva capacidad eólica en todo el mundo en el primer semestre de 2014.

España e India están en 4 y 5 posiciones con capacidad respectiva de 23 GW y 21,3 GW.

Luego están el Reino Unido, Francia, Italia y Canadá, que tienen capacidades eólicas entre 11.2 y 8.5 GW.

Solo China ha instalado 40.7% de nueva capacidad de turbina eólica terrestre en todo el mundo en el primer semestre de 2014.

Los parques eólicos terrestres más grandes del mundo se encuentran principalmente en los Estados Unidos.

Por ejemplo, el parque eólico Roscoe, Texas abarca casi 400 kilómetros cuadrados y cuesta $ 1 mil millones.

La flota consta de 627 aerogeneradores de varios tamaños (105 a 126 metros de altura).

Construidos por tres fabricantes: Mitsubishi, Siemens y General Electric.

Con una capacidad de 781,5 MW (un poco menos que un reactor nuclear de tamaño medio – 900 MW).

Ésta flota puede satisfacer las necesidades de electricidad de aproximadamente 230,000 hogares estadounidenses, según su operador E.ON .

También se planifican parques eólicos interconectados con una capacidad acumulada de varios miles de megavatios (por ejemplo, Gansu en China, Markbygden en Suecia, horizonte 2020).

 

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