El aerogenerador (planta de energía eólica o abreviado WPP, molino de viento ) es un dispositivo para convertir la energía cinética del flujo del viento en energía mecánica de la rotación del rotor con su posterior conversión en energía eléctrica .
Los aerogeneradores se pueden dividir en tres categorías: industriales, comerciales y domésticos (para uso privado).
Los industriales son instalados por el estado o las grandes corporaciones energéticas. Por regla general, se combinan en una red, el resultado es un parque eólico . Solía ser que son completamente amigables con el medio ambiente, que es en lo que se diferencian de los tradicionales. Sin embargo, las palas de las turbinas eólicas están hechas de un compuesto de polímero , que no es rentable para reutilizar y reciclar. Ahora la cuestión del procesamiento de las cuchillas está abierta.
El único requisito importante para un WPP es un nivel de viento anual promedio alto. La potencia de los aerogeneradores modernos alcanza los 8 MW.
La potencia del aerogenerador depende de la potencia del flujo de aire ( ), determinada por la velocidad del viento y el área de barrido ,
donde: - velocidad del viento, - densidad del aire, - área de barrido.
Existen clasificaciones de los aerogeneradores según el número de palas, según los materiales con los que están fabricados, según el eje de giro y según el paso del tornillo [1] .
Hay dos tipos principales de aerogeneradores:
También hay aerogeneradores de tambor y rotativos [2] .
Los generadores eólicos suelen utilizar tres palas para lograr un equilibrio entre la cantidad de par (aumenta con el número de palas) y la velocidad de rotación (disminuye con el número de palas) [3] .
La ley de Betz predice que el factor de utilización de la energía eólica (WUCF) de las instalaciones horizontales, de hélice y de eje vertical está limitado a una constante de 0,593. Hasta la fecha, el coeficiente de aprovechamiento de la energía eólica logrado en los aerogeneradores de hélice horizontal es de 0,4. Por el momento, este coeficiente para aerogeneradores (aerogeneradores) TRB-Vertical es de 0,38. Los estudios experimentales de las instalaciones rusas de eje vertical han demostrado que lograr un valor de 0,4-0,45 es una tarea muy real. Por lo tanto, los coeficientes de utilización de la energía eólica de las turbinas eólicas de hélice de eje horizontal y de eje vertical son similares [4] .
WPP consta de:
La electricidad generada se destina a:
Consta de las siguientes partes:
Consta de las siguientes partes:
La ley de conservación de la masa requiere que la cantidad de aire que entra y sale de la turbina sea la misma. En consecuencia, la ley de Betz da la extracción máxima alcanzable de energía eólica por una turbina eólica como 16/27 (59,3%) de la velocidad a la que la energía cinética del aire llega a la turbina [6] .
Así, la máxima potencia teórica de salida de una máquina eólica es igual al 16/27 de la energía cinética del aire que llega al área efectiva del disco de la máquina por unidad de tiempo. Con un área de disco efectiva y una velocidad del viento, la potencia de salida teórica máxima es
,donde ρ es la densidad del aire .
El rozamiento de las palas con el aire y el arrastre son los principales factores que determinan la eficiencia de la transferencia de energía del viento al rotor y, en consecuencia, el coste de la energía generada por el aerogenerador [7] . Otros factores de pérdida de eficiencia incluyen pérdidas en la caja de cambios , el generador y el convertidor. A partir de 2001, las turbinas conectadas a servicios comerciales producían entre el 75 % y el 80 % de su límite de potencia, según lo determina la ley de Betz [8] [9] a la velocidad nominal de funcionamiento .
La eficiencia puede disminuir ligeramente con el tiempo debido al polvo, los defectos de la superficie de las aspas y los insectos que se han acumulado, lo que reduce la elevación de la aspa. Un análisis de 3128 turbinas eólicas de más de 10 años en Dinamarca mostró que la eficiencia de la mitad de las turbinas no disminuyó, mientras que la otra mitad disminuyó en un promedio de 1,2 % por año [10] .
En general, condiciones climáticas más estables y constantes (especialmente la velocidad del viento) conducen a un aumento promedio de la eficiencia del 15 % en comparación con un clima inestable [11] .
Se ha encontrado que diferentes materiales tienen diferentes efectos sobre la eficiencia de las turbinas eólicas. En un experimento en la Universidad de Ege, se construyeron tres turbinas eólicas de tres palas con un diámetro de 1 m con diferentes materiales de pala: fibra de vidrio y fibra de carbono con un aglutinante epoxi, fibra de carbono, vidrio-poliestireno. Las pruebas han demostrado que los materiales con una masa total más alta tienen un momento de fricción mayor y, por lo tanto, un factor de potencia más bajo [12] .
Una turbina eólica industrial se construye en un sitio preparado en 7-10 días. Obtener las aprobaciones regulatorias para construir un parque eólico puede llevar un año o más. [13] Además, para justificar la construcción de un aerogenerador o parque eólico, es necesario realizar una investigación eólica a largo plazo (al menos un año) en el área de construcción. Estas actividades aumentan significativamente la vida útil de los proyectos de energía eólica.
Para la construcción, se requiere un camino al sitio de construcción, un lugar para colocar los nodos durante la instalación, equipos de elevación pesados con un alcance de más de 50 metros, ya que las góndolas se instalan a una altura de aproximadamente 50 metros.
Durante el funcionamiento de los aerogeneradores industriales surgen diversos problemas:
La empresa noruega StatoilHydro y la empresa alemana Siemens AG han desarrollado aerogeneradores flotantes para estaciones de aguas profundas. StatoilHydro construyó una demostración de 2,3 MW en junio de 2009 [14] [15] . La turbina, denominada Hywind, desarrollada por Siemens Renewable Energy [15] , pesa 5.300 toneladas y tiene 65 metros de altura. Se encuentra a 10 kilómetros de la isla de Karmoy, no muy lejos de la costa suroeste de Noruega. La compañía planea en el futuro aumentar la potencia de la turbina a 5 MW y el diámetro del rotor a 120 metros. Desarrollos similares están en marcha en los EE.UU.
Magenn ha desarrollado un globo especial que gira por el viento con un generador instalado, que se eleva a una altura de 120-300 metros. No hay necesidad de construir una torre y ocupar terrenos. El dispositivo opera en el rango de velocidades del viento de 1 m/s a 28 m/s. El dispositivo puede trasladarse a regiones ventosas o instalarse rápidamente en áreas de desastre.
Windrotor ofrece un potente diseño de rotor de turbina que puede aumentar significativamente su tamaño y la eficiencia de la energía eólica. Se espera que este diseño sea una nueva generación de rotores de aerogeneradores.
En mayo de 2009, Advanced Tower Systems (ATS) en Alemania puso en funcionamiento el primer aerogenerador instalado en una torre híbrida. La parte inferior de la torre, de 76,5 metros de altura, está construida en hormigón armado . La parte superior, de 55 metros de altura, está construida en acero. La altura total del aerogenerador (incluyendo palas) es de 180 metros. Aumentar la altura de la torre incrementará la generación de electricidad hasta en un 20% [16] .
A finales de 2010, las empresas españolas Gamesa, Iberdrola, Acciona Alstom Wind, Técnicas Reunidas, Ingeteam, Ingeciber, Imatia, Tecnitest Ingenieros y DIgSILENT Ibérica formaron un grupo para desarrollar conjuntamente un aerogenerador de 15,0 MW [17] .
La Unión Europea ha creado un proyecto de investigación UpWind para desarrollar un aerogenerador marino con una capacidad de 20 MW [18] .
En 2013, la empresa japonesa Mitsui Ocean Development & Engineering Company desarrolló una instalación híbrida: un aerogenerador y un aerogenerador alimentado por energía mareomotriz se instalan sobre un único eje flotando en el agua [19] .
Tabla de los 10 mayores fabricantes de aerogeneradores industriales en 2010 [20] , MW:
No. | Nombre | País | Volumen de producción, MW. |
---|---|---|---|
una | Vestas | Dinamarca | 5 842 |
2 | Sinovel | Porcelana | 4 386 |
3 | GE Energía | EE.UU | 3 796 |
cuatro | viento dorado | Porcelana | 3 740 |
5 | Enercon | Alemania | 2846 |
6 | Energía Suzlon | India | 2736 |
7 | Dongfang eléctrico | Porcelana | 2624 |
ocho | juegosa | España | 2587 |
9 | viento siemens | Alemania | 2325 |
diez | poder unido | Porcelana | 1600 |
En 2014, la capacidad total de los fabricantes de turbinas alcanzó los 71 GW [21] .
Bloomberg New Energy Finance calcula el índice de precios de aerogeneradores. De 2008 a 2010, el precio medio de los aerogeneradores disminuyó un 15%. En 2008, el precio medio de un aerogenerador fue de 1,22 millones de euros por 1 MW de potencia.
En agosto de 2010, el precio medio de un aerogenerador de un MW era de 1,04 millones de euros [22] .
En 2021, el costo aumentó a 4 millones de euros (Alemania, construcción cerca de la ciudad de Flöte).
La pequeña eólica incluye instalaciones con una capacidad inferior a 100 kW. Las instalaciones con una potencia inferior a 1 kW se denominan microeólicas. Se utilizan en yates, fincas agrícolas para abastecimiento de agua, etc.
Los pequeños aerogeneradores pueden funcionar de forma autónoma, es decir, sin estar conectados a una red eléctrica común .
Algunos UPS de consumo modernos tienen un módulo de entrada de CC específicamente para energía solar o eólica. De esta forma, el aerogenerador puede formar parte del sistema de alimentación de la vivienda, reduciendo el consumo energético de la red.
En la actualidad, a pesar del aumento de los precios de la energía , el costo de la electricidad no asciende a una cantidad significativa para la mayor parte de las industrias en el contexto de otros costos . . La fiabilidad y la estabilidad del suministro eléctrico siguen siendo claves para el consumidor .
Los principales factores que provocan un aumento del coste de la energía para uso industrial, obtenida a partir de aerogeneradores, son:
Se cree que el uso de pequeños aerogeneradores autónomos en la vida cotidiana es de poca utilidad debido a:
Sin embargo, en presencia de una red eléctrica común y un SAI moderno de doble conversión, estos factores se vuelven irrelevantes y, a menudo, dichos SAI ofrecen la posibilidad de complementarse con varias fuentes de CC inestables, como un generador eólico o una batería solar .
Lo más factible económicamente en la actualidad es obtener con la ayuda de aerogeneradores no energía eléctrica de calidad industrial, sino corriente continua o alterna (frecuencia variable) con su posterior conversión mediante bombas de calor en calor para calentar viviendas y producir agua caliente. Este esquema tiene varias ventajas:
La industria de las turbinas eólicas domésticas se está desarrollando activamente, y por un dinero bastante razonable ya es posible comprar una turbina eólica y garantizar la independencia energética de su casa de campo durante muchos años. Habitualmente, para dotar de electricidad a una vivienda pequeña, es suficiente una instalación con una potencia nominal de 1 kW a una velocidad del viento de 8 m/s. Si el área no es ventosa, el aerogenerador se puede complementar con células fotovoltaicas o un generador diésel, y los aerogeneradores de eje vertical se pueden complementar con aerogeneradores más pequeños (por ejemplo, la turbina Darrieus se puede complementar con un rotor Savonius) . Al mismo tiempo, uno no interfiere con el otro: las fuentes se complementarán entre sí).
Las regiones más prometedoras para el desarrollo de la energía eólica pequeña son las regiones con un costo de electricidad superior a $0,1 por kWh . El costo de la electricidad producida por pequeñas turbinas eólicas en los EE . UU. en 2006 fue de $0,10-$0,11 por kWh.
La Asociación Estadounidense de Energía Eólica (AWEA) espera que en los próximos 5 años, el costo disminuya a $0.07 por kWh. Según AWEA, en 2006 se vendieron 6.807 aerogeneradores pequeños en EE . UU. Su capacidad total es de 17.543 kW. Su costo total es de $56,082,850 (aproximadamente $3,200 por kW de potencia). En el resto del mundo, se vendieron 9.502 turbinas pequeñas en 2006 (excluyendo EE. UU.), con una capacidad total de 19.483 kW.
El Departamento de Energía de EE.UU. (DoE) anunció a finales de 2007 su disposición a financiar aerogeneradores especialmente pequeños (hasta 5 kW) para uso personal.
AWEA predice que para 2020, la capacidad total de energía eólica pequeña de EE. UU. crecerá a 50 000 MW, lo que representará alrededor del 3 % de la capacidad total del país. Las turbinas eólicas se instalarán en 15 millones de hogares y 1 millón de pequeñas empresas . La pequeña industria de la energía eólica empleará a 10.000 personas. Anualmente producirán productos y servicios por valor de más de mil millones de dólares.
En Rusia, la tendencia de instalar aerogeneradores para dotar de electricidad a los hogares apenas está surgiendo. Hay literalmente varios fabricantes de aerogeneradores domésticos de baja potencia en el mercado específicamente para uso doméstico. Los precios de las turbinas eólicas con una capacidad de 1 kW con un conjunto completo comienzan desde 35-40 mil de rublos (para 2012). No se requiere certificación para instalar este equipo.
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