Las claves del funcionamiento de una turbina eólica

Ignacio Mártil

Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física

En un texto previo, he descrito las principales características de los vientos que aprovechan los generadores eólicos para obtener energía eléctrica, así como los principales tipos de turbinas que se utilizan en la actualidad. En este artículo, describiré los principios de funcionamiento de los generadores tripala de eje horizontal, los más universales que se emplean en la actualidad en los huertos eólicos del planeta; como el que se muestra en la siguiente imagen:

Huerto eólico instalado en la costa de Inglaterra. Fuente de la imagen: Wind Turbine Generator Analysis

También detallaré cuales son los principales componentes de estos generadores. Ambas cuestiones las ilustro con dos vídeos muy interesantes y clarificadores.

1. ¿Por qué giran las aspas de un generador eólico?

A diferencia de los antiguos molinos de viento de Castilla La Mancha o de Holanda, en los que la fuerza del viento empuja las palas para hacerlas girar, los aerogeneradores modernos utilizan principios aerodinámicos más sofisticados para capturar la energía del viento con mayor eficacia. En efecto, una turbina eólica mueve sus aspas por razones parecidas a las que un avión se sustenta en el aire y se debe a un fenómeno físico cuyas ideas generales describiré a continuación.

En una turbina eólica en presencia de viento, entran en juego dos fuerzas aerodinámicas sobre las aspas del rotor: una denominada empuje, que es perpendicular a la dirección del flujo del viento y otra denominada arrastre, que es paralela a la dirección del flujo, tal y como muestra la figura siguiente:

Izquierda: flujo de viento a través de las aspas de un generador, este flujo crea dos fuerzas: de empuje sobre la superficie (“lift”) y de arrastre (“drag”). La fuerza de empuje es una de las responsables de la rotación de las aspas. Fuente de la figura: How Wind Power Works. Turbine aerodinamics. Derecha: detalle de cómo la fuerza de empuje provoca la rotación del eje del generador. Fuente de la figura: Coherent Application Threads, Boston University

Las aspas de las turbinas tienen un diseño muy similar a las alas de un avión y se comportan, en presencia del viento, como lo hacen estas últimas. En las alas de un avión, una de las superficies está muy redondeada, mientras que la otra es relativamente plana. Cuando el aire circula a través del aspa de un molino con este diseño, el aire circulante por la superficie lisa lo hace más despacio que por la redondeada; este diferencia de velocidades genera a su vez una diferencia de presión, más acusada sobre la superficie lisa que sobre la redondeada; el resultado neto es que hay una fuerza actuando sobre la superficie lisa que empuja el ala; este fenómeno se conoce como “Efecto Venturi” (debido al físico italiano del siglo XVIII que lo describió por primera vez) y es en parte responsable del fenómeno conocido como “sustentación”, que a su vez, es uno de los procesos que explican por qué los aviones se mantienen en el aire -la explicación del fenómeno de la sustentación de los aviones es compleja e involucra varios procesos físicos, además del efecto Venturi y queda fuera de los objetivos de este artículo. Recomiendo al lector interesado la lectura de este texto para una explicación más detallada-.

Estos mecanismos son los que también utilizan las aspas de los molinos eólicos para provocar el movimiento de rotación alrededor de su eje, tal y como muestra el dibujo precedente. El diseño de la sección de las aspas favorece que la rotación se produzca de la manera más eficiente posible. El siguiente vídeo muestra este proceso de una forma sencilla de entender:

2. El interior de un generador eólico

En el interior de los generadores tiene lugar el proceso de transformación de la energía de rotación de las aspas en energía eléctrica mediante la ley de Faraday, cuyos fundamentos describí en este artículo. Para ello, debe incorporar un rotor que gire según incide el viento en él, acoplado a un alternador que transforme esa energía mecánica de rotación en energía eléctrica. La figura muestra esquemáticamente el interior de una góndola de un generador eólico, con sus diferentes componentes:

El interior de la góndola de un generador eólico con sus diversos componentes. Fuente de la imagen: https://energiadoblecero.com/energias-renovables/energia-eolica/componentes-de-un-aerogenerador

La función que cumple cada elemento es la siguiente:

Rotor: Recoge la energía del viento y la transforma en energía mecánica de rotación. Su diseño es crítico para lograr que haya giro incluso en condiciones de velocidad del viento muy baja. Como se ha visto en el punto anterior, el diseño de la sección de las palas es clave para garantizar el giro del rotor.

Sistema de acoplo, soporte de la turbina: Adapta el movimiento de rotación de las aspas al del rotor del generador de energía eléctrica al cual se acopla.

Multiplicador o caja de cambio: A las velocidades habituales del viento (entre 20 y 100 km/h), la velocidad de giro del rotor es baja, del orden de 10-40 revoluciones por minuto (r.p.m.); para generar energía eléctrica, el rotor del generador debe hacerlo a unas 1.500 r.p.m., por lo tanto, la góndola debe incorporar un sistema que transforme la velocidad de rotación del valor inicial al final. Esto se logra mediante un mecanismo parecido a la caja de cambios de un motor de automóvil, que mediante un juego de múltiples engranajes, permite que la parte móvil del generador de energía eléctrica gire a la velocidad apropiada para producir electricidad. También incorpora un freno con objeto de parar el giro del rotor en presencia de vientos muy elevados (por encima de 80-90 km/h), que podrían dañar algún elemento del generador.

Generador: es un conjunto rotor-estator que genera la energía eléctrica, que se transporta mediante un cableado instalado en el interior de la torre que soporta la góndola, hacia una estación transformadora, que la vuelca en la red eléctrica. La potencia del generador varía entre 5 kW para las turbinas de tamaño medio, hasta 5 MW en las más grandes, aunque ya hay turbinas que alcanzan los 10 MW.

Motor de orientación: permite girar al conjunto para situar la góndola de cara a la dirección del viento dominante.

Mástil de soporte: es el soporte estructural del generador. Cuanto más potente es la turbina, mayor es la longitud de las aspas y por consiguiente, mayor la altura a la que debe situarse la góndola, lo que introduce complejidad adicional en el diseño de la torre, que debe soportar el peso del conjunto del generador y las aspas; también debe poseer una alta rigidez estructural para aguantar vientos elevados sin fracturas.

Veleta y Anemómetro: Dispositivo situado en la parte trasera de la góndola que contiene el generador; determina la orientación y mide la velocidad del viento y actúa sobre el mecanismo de las aspas para frenarlas cuando la velocidad del viento supera un umbral a partir del cual hay riesgos estructurales para la turbina. Suele ser un diseño de tipo turbina Savonious.

El siguiente vídeo muestra los detalles del funcionamiento de estos generadores:

En próximos textos describiré en términos cuantitativos cómo transforma un generador eólico la energía cinética del viento en energía de rotación y a través de la ley de Faraday, en energía eléctrica. Así mismo, detallaré las limitaciones existentes en ese proceso de transformación.