Turbinas eólicas de eixo horizontal
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Son aquellos en los que el eje de rotación del equipo se encuentra paralelo al suelo. Esta es la tecnología que se ha impuesto, por su eficiencia y confiabilidad y la capacidad de adaptarse a diferentes potencias.
Las partes principales de un aerogenerador de eje horizontal son:.
• - Rotor: las palas del motor, construidas principalmente con materiales compuestos, se diseñan para transformar la energía cinética del viento en un momento torsor en el eje del equipo. Los rotores modernos pueden llegar a tener un diámetro de 42 a 80 metros y producir potencias equivalentes de varios MW. La velocidad de rotación está normalmente limitada por la velocidad de punta de pala, cuyo límite actual se establece por criterios acústicos.
• - góndola "Góndola (aviación)") o nacelle: sirve de alojamiento para los elementos mecánicos y eléctricos (multiplicadora, generador, armarios de control, etc.) del aerogenerador.
• - Caja de engranajes o multiplicadora: puede estar presente o no dependiendo del modelo. Transforman la baja velocidad del eje del rotor en alta velocidad de rotación en el eje del generador eléctrico.
• - Generador: existen diferentes tipos dependiendo del diseño del aerogenerador. Pueden ser síncronos o asíncronos, jaula de ardilla o doblemente alimentados, con excitación o con imanes permanentes. Lo podemos definir como la parte del aerogenerador que convierte la energía en electricidad.
• - La torre: sitúa el generador a una mayor altura, donde los vientos son de mayor intensidad, así como para permitir el giro de las aspas, y transmite las cargas del equipo al suelo.
• - Sistema de control: se hace cargo del funcionamiento seguro y eficiente del equipo, controla la orientación de la góndola, la posición de las palas y la potencia total entregada por el equipo.
• - Cimientos: soportan el peso estructural del generador y transmiten al suelo las cargas de viento tanto verticales como horizontales. En función del tipo de suelo sobre el que se levanta el aerogenerador, los cimientos pueden ser de hormigón armado reforzado con acero, pilotes o zapatas extendidas.
Todos los aerogeneradores de eje horizontal tienen su eje de rotación principal en la parte superior de la torre, que tiene que orientarse hacia el viento de alguna manera. Los aerogeneradores pequeños se orientan mediante una veleta, mientras que los más grandes utilizan un sensor de dirección y se orientan por servomotores o motorreductores.
Existen dos tipologías principales de generadores eléctricos: con y sin caja multiplicadora. Los primeros funcionan a velocidades del orden de 1000-2000 rpm. Dado que la velocidad de rotación de las aspas es baja (entre 8 y 30 rpm), requieren el uso de una caja multiplicadora para conseguir una velocidad de rotación adecuada. Los aerogeneradores que no precisan multiplicadora se conocen como direct-drive y sus generadores se llaman habitualmente multipolo, ya que para conseguir una frecuencia elevada con una baja velocidad de giro tienen más de una decena de polos.
En la mayoría de los casos la velocidad de giro del generador está relacionada con la frecuencia de la red eléctrica a la que se vierte la energía generada (50 o 60 Hz).
En general, las palas están emplazadas de tal manera que el viento, en su dirección de flujo, las encuentre antes que a la torre (rotor a barlovento). Esto disminuye las cargas adicionales que genera la turbulencia de la torre en el caso en que el rotor se ubique detrás de la misma (rotor a sotavento). Las palas se montan a una distancia razonable de la torre y tienen alta rigidez, de tal manera que al rotar y vibrar naturalmente no choquen con la torre en caso de vientos fuertes. El rotor suele estar inclinado entre 4 y 6 grados para evitar el impacto de las palas con la torre.
A pesar de la desventaja en el incremento de la turbulencia, se han construido aerogeneradores con el rotor localizado en la parte posterior de la torre, debido a que se orientan en contra del viento de manera natural, sin necesidad de usar un mecanismo de control. Sin embargo, la experiencia ha demostrado la necesidad de un sistema de orientación para orientar la máquina hacia el viento. Este tipo de montaje se justifica debido a la gran influencia que tiene la turbulencia en el desgaste de las aspas por fatiga. La mayoría de los aerogeneradores actuales son de este último modelo.
Energia eólica
A energia cinética do ar () depende do quadrado da velocidade do ar () e sua densidade ():.
A potência (), em watts por unidade de área, pode ser expressa como:.
Portanto, a energia eólica à qual uma turbina estará exposta é determinada multiplicando a expressão anterior pela área varrida da turbina, que é o círculo coberto pelas pás.[5] Por exemplo, a área varrida de uma turbina eólica com rotor de 82 metros de diâmetro será de 5.281 m².
No entanto, nem toda a potência do ar pode ser utilizada pela turbina eólica. O limite de potência que pode ser extraído é dado pelo limite estabelecido pelo físico Albert Betz. Este limite, que leva seu nome, é derivado da conservação da massa e do momento de inércia do fluxo de ar. O limite de Betz indica que uma turbina eólica não pode aproveitar mais de 59,3% da energia cinética do vento. O número (0,593) é conhecido como coeficiente de Betz. Por exemplo, se uma turbina eólica de 82 metros de diâmetro fosse exposta a um vento de 15 m/s com densidade de ar de 1,28 kg/m³, ela poderia extrair, assumindo vento perfeito (sem turbulência) e desempenho perfeito, até 6,76 MW de energia elétrica.
Os aerogeradores modernos obtêm entre 75 e 80% do limite de Betz.[6] Um dos fatores que mais influencia o não alcance de 100% do limite de Betz é a rugosidade do terreno. Essa rugosidade é influenciada pela presença de vegetação ou construções no terreno, que reduzem a velocidade do vento e aumentam a turbulência do ar. Portanto, uma maior altura do rotor e a instalação no mar (“eólica offshore”)) contribuem para um melhor aproveitamento da energia do ar.
Controle de potência
Em geral, as modernas turbinas eólicas de eixo horizontal são projetadas para trabalhar com velocidades de vento que variam em média entre 3 e 25 m/s. A primeira é a chamada velocidade de conexão e a segunda é a velocidade de corte. Basicamente, o aerogerador começa a produzir energia elétrica quando a velocidade do vento ultrapassa a velocidade de conexão e, à medida que a velocidade do vento aumenta, a potência gerada é maior, seguindo a chamada curva de potência.
As pás possuem um sistema de controle para que seu ângulo de ataque varie dependendo da velocidade do vento. Isto permite que a velocidade de rotação seja controlada para atingir uma velocidade de rotação fixa sob diferentes condições de vento.
Da mesma forma, é necessário um sistema de controle de velocidade de rotação para que, em caso de ventos excessivamente fortes, que possam pôr em perigo a instalação, gire o rotor de forma que as pás apresentem a mínima oposição ao vento, o que provocaria a parada da máquina.
Para turbinas eólicas de alta potência, alguns tipos de sistemas passivos utilizam características aerodinâmicas das pás que fazem com que o rotor pare mesmo em condições de vento muito forte. Isso ocorre porque ele próprio entra em um regime denominado “estol aerodinâmico”.
Impacto no meio ambiente
Este tipo de geradores popularizou-se rapidamente por serem considerados uma fonte de energia limpa, uma vez que não necessitam, para a produção de energia, de combustão que produza resíduos poluentes ou gases envolvidos no efeito estufa. Porém, seu uso não está isento de impactos ambientais. Sua localização – muitas vezes em locais remotos e de alto valor ecológico, como picos de montanhas, que por não serem habitados preservam sua riqueza paisagística e faunística – pode causar efeitos nocivos, como o impacto visual na linha do horizonte, a grande área superficial que ocupam devido à necessária separação entre eles – entre três[7] e dez[8] diâmetros de rotor – ou o intenso ruído gerado pelas pás, além dos efeitos causados pela infraestrutura que deve ser construída para o transporte. de energia elétrica até os pontos de consumo. Apesar de pesquisas para minimizá-los, mortes de pássaros continuam a ocorrer devido a eles,[9] além de populações de morcegos serem afetadas.[10] Em algumas usinas de energia eólica, cerca de 14 pássaros e 40 morcegos morrem a cada ano para cada MW instalado.[11] Mais recentemente, foi proposta a possibilidade de que seu uso generalizado poderia até contribuir para o aquecimento global, bloqueando as correntes de ar.[12].
Por outro lado, tendo em conta os gases com efeito de estufa que são produzidos pelas tarefas derivadas da construção, transporte e manutenção da turbina eólica, a energia eólica terrestre, com 12 g de CO por kWh, é a segunda energia menos poluente,[13] depois da energia hidroeléctrica (com 4 g de CO por kWh); Segue-se a energia nuclear (com 16 g de CO por kWh) e a energia solar térmica (com 22 g de CO por kWh). A isto devemos acrescentar o problema das pás, que deixam de ter utilidade após cerca de 20 anos de uso, e que geralmente acabam em aterros (chamados “cemitérios de pás”) devido à complexidade da sua reciclagem.[14].