La energía eólica, la energía solar fotovoltaica, la energía solar termoeléctrica, incluso la energía que obtenemos de los combustibles fósiles (petróleo, gas y carbón), provienen, en último término, del Sol.
Durante un año, la Tierra recibe del Sol 1,74 ´ 1017 W de potencia sobre su superficie; o lo que es lo mismo 1,74 x 1017 ´ 8760 h = 1,5 ´ 1018 kW.h de energía al cabo del año. Alrededor del 1-2 % de esa descomunal cantidad se puede convertir en energía eólica debido al movimiento de las masas de aire, ya que el viento se origina por el calentamiento del aire, de la tierra y del mar por la radiación solar; fenómeno que se hace especialmente relevante en lugares montañosos y en las zonas costeras.
De esta forma, podemos entender que la energía eólica es básicamente una forma indirecta de energía solar. Su aprovechamiento se lleva a cabo mediante turbinas eólicas, que transforman la energía cinética del aire en movimiento en energía de rotación, que, a su vez, mueve el rotor de una turbina y la transforma en energía eléctrica. A grandes rasgos, los generadores eólicos pueden clasificarse en dos grandes grupos: de eje horizontal y de eje vertical.
1. Turbinas de eje vertical
En los aerogeneradores de eje vertical, el eje de rotación de la turbina se mantiene vertical o perpendicular al suelo. Las turbinas de eje vertical se utilizan principalmente en pequeños proyectos eólicos y en aplicaciones residenciales. La gran ventaja de estas turbinas es que funcionan con vientos provenientes de cualquier dirección. Debido a esta versatilidad, estos aerogeneradores son la elección adecuada para instalaciones donde las condiciones del viento son muy irregulares e impredecibles por los modelos climáticos.
También son la elección obligada cuando, por normativas medioambientales, la turbina no puede colocarse lo suficientemente alta como para beneficiarse de vientos más uniformes y predecibles.
El ejemplo más característico de esta clase de turbinas es el generador Darrieus, que toma su nombre en honor a su inventor, el científico francés Georges Darrieus (1888-1979). Presentan una buena eficiencia, pero la torre que sustenta las aspas sufre tensiones apreciables durante el giro de éstas, lo que hace que tengan una fiabilidad deficiente. También requieren generalmente alguna fuente de energía externa para comenzar a girar. La siguiente figura muestra imágenes de los tres tipos de turbinas descritos en el texto:
El otro tipo principal de generador de eje vertical es la turbina Savonius (figura central), diseñada en la década de los años 20 del siglo pasado por el ingeniero finlandés Sigurd Savonius (1856-1906). Es uno de los diseños más simples que existen; consiste en dos o tres palas en forma de cuchara que emplean el empuje producido por el viento sobre ellas para convertir la energía eólica en energía de rotación que impulsa una turbina situada en su base. Cuando se mira desde arriba su sección transversal, una turbina Savonius de dos palas parece una S. Como las turbinas Darrieus, esta turbina gira con cualquier viento independientemente de la orientación que tenga frente a este.
No obstante, en este tipo de turbinas, se pierde mucha energía en el proceso de conversión a energía eléctrica. Como resultado, las turbinas Savonius generalmente no son el diseño preferido para la producción de cantidades apreciables de energía; se utilizan siempre cuando se necesitan pequeñas cantidades de energía y requieren poco o ningún mantenimiento. También son una buena opción para muchos usos diferentes al de la obtención de electricidad, por ejemplo, muchos medidores de la velocidad del viento (denominados anemómetros) están basados en el diseño de las turbinas Savonius.
Como regla general, las turbinas de eje vertical son poco eficientes, por lo que, en la actualidad, la práctica totalidad de los huertos eólicos instalados en el mundo utilizan generadores de eje horizontal.
2. Turbinas de eje horizontal
Son las más antiguas, piénsese por ejemplo en los molinos del Campo de Criptana (Castilla La Mancha, España) del Renacimiento o en los molinos “windmills” de los Estados Unidos de América, popularizados durante el siglo XIX.
Un ejemplo de un generador tripala moderno se ve en la parte derecha de la figura anterior. En estas turbinas, el eje de rotación del aerogenerador es paralelo al suelo. Hoy en día, para el aprovechamiento de la energía de grandes masas de aire, son la elección universal. Esto se debe a que, como analizaré en post sucesivos, son los más eficientes en términos de conversión de la energía del viento en energía eléctrica. En una próxima entrada del blog, analizaré con detalle la estructura interna de una turbina eólica de eje horizontal.
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