Parece que cada semana se da a conocer una nueva innovación en materia de generadores eólicos, a veces en blogs de tecnología, a veces en segmentos de televisión, una vez incluso en TED Talks. Todos afirman ser mejores que los icónicos aerogeneradores de tres palas y eje horizontal con los que estamos más familiarizados. Entonces, ¿cuál es el diseño más eficiente para captar energía eólica? Si cada diseño estuviera sometido a una fuente de viento constante, y cada diseño tuviera la misma superficie (para las palas, las aspas aerodinámicas u otro componente), ¿cuál generaría más electricidad en el mismo intervalo de tiempo?
Respuesta corta
Un moderno aerogenerador de eje horizontal y tres palas sería el que generaría más electricidad. Las afirmaciones de rendimiento superior por parte de tecnologías alternativas acompañadas de solicitudes de inversión deben considerarse con gran escepticismo.
Respuesta larga
La generación máxima potencial de un volumen de viento viene determinada por la Ley de Betz (conocida alternativamente como Límite de Betz). Betz calculó que la máxima potencia que se podía obtener del viento era el 59,3% de su energía total.
Turbinas de eje horizontal de tres palas
Turbinas de eje vertical-aerogeneradores de eje vertical con palas aerodinámicas
Cables, generadores eólicos voladores (prototipos y renders sólo en la actualidad)
Aerogeneradores de eje horizontal-generadores eólicos de eje horizontal de varios tipos sin componente aerodinámico en las palas
Aerogeneradores de eje vertical-generadores eólicos de eje vertical de varios tipos, como el generador Savonius sin palas aerodinámicas
Dispositivos diversos que parecen motores a reacción, o motores a reacción con grandes embudos, conos con pistones (el Saphonian ) o sacacorchos
Torres que utilizan el calentamiento solar pasivo alrededor de su base para crear fuertes vientos que fluyen hacia la torre pasando por las palas de los aerogeneradores que giran dentro de la torre
¿Cómo se apilan?
Hay más de 300.000 aerogeneradores de tres palas y eje horizontal que generan energía en la actualidad. Son la forma de generación ganadora porque son las más eficaces. Las razones son fáciles de explicar:
Las palas aerodinámicas añaden un componente de fuerza de sustentación para impulsar la pala más rápidamente. Esta es una ventaja significativa sobre los molinos de viento, ya sean de eje horizontal o vertical. Cualquier aerogenerador, incluso adecuadamente diseñado, con palas aerodinámicas siempre generará más electricidad que el mejor generador sin elevación aerodinámica como componente de captación de energía.
Las palas del diseño de tres palas siempre vuelan por aire limpio. Las turbulencias del paso de la pala anterior han sido arrastradas por el viento cuando la siguiente pala pasa por el mismo punto. Los aerogeneradores de eje vertical, ya sean de palas o de puro arrastre, vuelan a través de aire turbulento un porcentaje significativo del tiempo. El aire limpio permite a los HAWT de tres palas una ventaja considerable.
Las palas del diseño tripala se presentan siempre en el ángulo óptimo respecto al viento que se aproxima. Los aerogeneradores de eje vertical con palas aerodinámicas cambian el ángulo de sus palas con respecto al viento que se aproxima constantemente mientras giran, y sólo una parte, incluso de los mejores diseños, se encuentra en un ángulo óptimo en un momento dado. Alinear las palas de los aerogeneradores HAWT con el aire que se aproxima requiere cantidades triviales de energía en comparación con esta ventaja. Los generadores eólicos Savonius (llamados así por un ingeniero finlandés que creó una variante común en 1922) son aún peores, ya que capturan el viento en la concavidad en la mitad de su superficie y desprenden el viento en la parte convexa, con la consiguiente resistencia y turbulencia adicional en la otra mitad de su superficie. (Analicé una posible inversión para una pequeña empresa en capacidad de microgeneración y vi que el inventor había creado 5 «innovaciones» en torno a la premisa básica de Savonius que la llevaron de una forma barata de energía suficiente para usos menores de riego a una forma muy cara de generación de energía suficiente para usos menores de riego). Para el contexto, aquí está un molino de viento de riego Savonius rentable hecho de un viejo barril de plástico y algunos restos de madera.
Las tres palas se escalan bien. Una de las mayores ventajas es que se puede colocar un conjunto de palas muy grande en una torre muy alta y recoger mucho viento por encima del punto en el que se ralentiza debido al contacto con el suelo.
Se han propuesto muchos diseños «innovadores» que utilizan algún tipo de efecto Venturi en combinación con los rotores de las turbinas, pero el problema fundamental es que para recoger suficiente viento, hay que escalar la carcasa exterior hasta el punto en que el peso y los costes de material se vuelven prohibitivos. Una carcasa exterior tiene que aumentar al menos hasta el cuadrado del diámetro y probablemente más. Un aerogenerador de 3 MW con palas de 80 metros puede captar un subconjunto de la energía de 20.096 metros cuadrados de aire. Una cáscara de Venturi a esa escala tendría una circunferencia de 251,2 metros, probablemente tendría que tener al menos 10 metros de anchura antes de que los efectos notables comenzaran a funcionar y pesaría una cantidad enorme.
Otros diseños «innovadores» vuelan dispositivos de captura de viento de algún tipo u otro – palas de turbina en forma de cáscara de dirigible, marcos con turbinas, cometas con turbinas – en el viento que es más constante y más alto del suelo. El problema es que estos dispositivos se encuentran constantemente con límites de escala. El generador eólico en forma de dirigible empieza a tener problemas de rigidez mucho antes de llegar a la generación a escala comercial. Las cometas voladoras con palas empiezan a necesitar cables enormes y muy largos para resistir las fuerzas. Por lo general, estos prototipos son muy interesantes y nunca llegan al mercado. Todos ellos empiezan a requerir instalaciones masivas en tierra con cabrestantes extraordinariamente grandes cuando se quieren niveles de generación de utilidad. Cuando empiezas a pensar en niveles de fuerza de un barco multiplicados por kilómetros de cable, empiezas a darte cuenta de que el peso y el gasto del cable por sí solos se vuelven prohibitivos a cualquier nivel útil de generación.
Las palas se quedan en un lugar sobre un gran pilar cuando están generando electricidad. Esto es muy eficiente, lo cual es una de las razones por las que amortizan la energía utilizada en la construcción más rápidamente que cualquier otra forma de generación eléctrica. Un parque eólico de Australia generó en un año 302 veces la electricidad que se utilizó para ponerlos en marcha, frenarlos y hacerlos girar. Compárese esto con los requisitos de un aerogenerador volante que tiene que ser arrastrado cuando el viento no sopla, lanzado cuando el viento empieza y tiene un pesado cable potencialmente kilométrico ajustado para maximizar la generación con regularidad.
El gráfico siguiente es del libro de 2006 de E. Hau., Wind Turbines: Fundamentals, Technologies, Application, Economics. Springer. Alemania. 2006. Incluso en ese momento, esto no era una noticia nueva, sino simplemente una afirmación obvia para incluir en los libros de texto.
La torre solar-eólica con palas de turbina se acerca más a ser una tecnología interesante, sin embargo el mantenimiento nunca se explora. Las turbinas suelen estar apiladas de 3 a 7 o más horizontalmente a lo largo de la torre. Otra posibilidad es que se coloquen otras mucho más pequeñas alrededor de la base de la torre, dentro de los túneles que parten del amplio conjunto de cristales. Funcionarán con vientos muy calientes, probablemente de 45 grados centígrados o más, y a velocidades de 50 km/h y superiores. En efecto, el dispositivo es un horno de convección que cocinaría a un ser humano en poco tiempo. Trabajar en el interior de la torre requeriría trajes refrigerados y equipo de respiración, si es que la velocidad del viento lo hiciera posible. Sacar el cabezal de la turbina o las palas de la torre para su mantenimiento sería un trabajo extraordinario. Cerrar la entrada del viento requeriría cerrar las compuertas en un diámetro de cinco kilómetros.
Vea mi post relacionado Invertir con cuidado; las «innovaciones» de la energía eólica rara vez son kosher para las preguntas que hay que hacer sobre cualquier pieza innovadora de generación eólica, especialmente si alguien le está pidiendo que ponga dinero en ella.
http://en.wikipedia.org/wiki/Betz’_law
¿Por qué no son más populares los aerogeneradores de eje vertical?
¿Son los aerogeneradores aéreos una fuente plausible de energía barata?
http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-2019197/Arizona-solar-power-tower-worlds-2nd-tallest-building.html
http://www.energymatters.com.au/index.php?main_page=news_article&article_id=3325
Los aerogeneradores devuelven la «deuda» medioambiental total en menos de seis meses
http://www.gwec.net/global-figures/wind-in-numbers/
http://www.windpowerengineering.com/construction/simulation/seeing-the-unseeable-in-a-rotor-wake/
http://www.skysails.info/english/power/power-system/skysails-power-system/
Excelente material de Paul Gipe sobre la economía de la generación eólica
