Principales partes y componentes de una turbina eólica: estructura, funciones y anatomía
Una turbina eólica convierte la energía cinética del viento en energía eléctrica. A diferencia de los ventiladores que necesitan electricidad para crear viento, las turbinas eólicas hacen lo contrario: utilizan el viento para generar electricidad transformando la energía cinética del viento en energía eléctrica. Esta conversión funciona con principios aerodinámicos similares a los de las aspas de avión o las palas del rotor de un helicóptero.
El viento fluye pasando por las aspas especialmente diseñadas de la turbina eólica y crea diferentes presiones de aire a cada lado. Esta diferencia de presión genera fuerzas de sustentación y arrastre. La fuerza de sustentación es más fuerte y hace que el rotor de la turbina eólica gire [3][3]. El movimiento giratorio se transmite al generador de turbina eólica, ya sea directamente en turbinas de accionamiento directo o mediante un sistema de eje y caja de engranajes (gearbox) que aumenta la velocidad de rotación [3].
Para 2020, los parques eólicos en todo el mundo contaban con cientos de miles de grandes turbinas generadoras de electricidad, sumando aproximadamente 60 GW cada año más de 650 gigavatios de potencia[1]. Esta rápida expansión demuestra cómo las turbinas eólicas se han convertido en fuentes de energía renovable cruciales que reducen nuestra dependencia de los combustibles fósiles.
Las turbinas eólicas vienen en diferentes tamaños y usos:
– Las turbinas de gran escala alimentan parques eólicos que suministran electricidad a la red nacional.
– Las turbinas pequeñas cubren necesidades locales como carga de baterías, alimentación de dispositivos remotos o electricidad para el hogar.
Cinco componentes principales conforman la estructura de una turbina eólica: la fundación, la torre, el rotor (con las aspas y el buje), la góndola (nacelle) y el generador. La góndola se encuentra en la parte superior de la torre y alberga partes vitales como la caja de engranajes (gearbox), ejes, generador y freno. La góndola de una turbina eólica con caja de engranajes de 1.5 MW puede pesar más de 4.5 toneladas.
Las turbinas eólicas tienen una larga vida útil, superando en promedio los 25 años. Esta durabilidad, combinada con avances tecnológicos, convierte a la energía eólica en una excelente opción renovable para el futuro.
El proceso desde las aspas giratorias hasta la electricidad en la red representa la forma más rápida de utilizar un recurso natural limpio, gratuito y accesible que satisface nuestras crecientes necesidades energéticas.
Tipos de turbinas eólicas
Las turbinas eólicas se presentan en dos configuraciones principales según la orientación de su eje de rotación con respecto al suelo. Cada diseño tiene sus propias ventajas para distintos usos y muestran diferencias significativas en popularidad y rendimiento.
Turbinas eólicas de eje horizontal
Las turbinas eólicas de eje horizontal (HAWT) lideran la industria comercial de energía eólica. Estas máquinas tienen un eje rotor paralelo al suelo, con aspas tipo hélice que enfrentan el viento. Son reconocidas como las icónicas turbinas que pueblan paisajes en todo el mundo y simbolizan la producción de energía renovable.
Las HAWT convierten entre el 40-50% de la energía del viento en electricidad, superando a las turbinas de eje vertical. Este rendimiento explica su frecuente uso en proyectos de gran escala. Funcionan bien en vientos fuertes y se montan en torres altas para captar flujos de aire más fuertes y estables.
Dentro de la categoría HAWT existen dos tipos principales:
Turbinas de viento frontal (Upwind): El rotor está orientado hacia el viento frente a la torre para evitar la sombra que esta genera.
Turbinas de viento trasero (Downwind): El rotor se sitúa detrás de la torre, causando fluctuaciones en la potencia debido a la sombra de la torre.
Aunque las HAWT son eficientes, presentan desafíos. Son difíciles de mover, complejas de instalar y complicadas de reparar debido a que sus componentes importantes están en torres altas. También pueden generar ruido y requieren ubicaciones cuidadosas para proteger el entorno.
Aspas: Capturan la energía del viento creando sustentación aerodinámica que hace girar el rotor.
Rotor con buje: Transfiere la energía rotacional desde las aspas al eje principal y al sistema de transmisión.
Estructura de la góndola con aleta de cola: Alberga componentes críticos de la turbina y alinea la posición de la turbina con la dirección del viento.
Caja de engranajes y generador: Convierten la lenta rotación del rotor en movimiento de alta velocidad, generando electricidad.
Rodamiento de guiñada con anillo deslizante: Permite la rotación de la góndola y transfiere señales eléctricas entre partes fijas y móviles.
Torre: Soporta la estructura de la turbina, elevándola para acceder a vientos más fuertes y estables.
Turbinas eólicas de eje vertical
Las turbinas eólicas de eje vertical (VAWT) tienen un eje rotor perpendicular al suelo. Aunque son menos populares comercialmente, destacan en situaciones específicas. Las VAWT pueden captar viento desde cualquier dirección sin necesidad de mecanismos para orientar el rotor.
Las VAWT se dividen en dos diseños principales:
Turbinas Darrieus: Estas turbinas tipo «batidora» usan fuerzas de sustentación, con aspas curvas o rectas unidas a un eje vertical.
Turbinas Savonius: Usan fuerzas de arrastre con aspas en forma de cucharón alrededor de un eje vertical, sacrificando eficiencia por simplicidad y fiabilidad.
Las VAWT son ideales en áreas urbanas donde el viento es turbulento y cambia frecuentemente de dirección. Funcionan bien en lugares con patrones impredecibles porque captan viento de cualquier dirección. El mantenimiento es más sencillo, ya que los generadores y cajas de engranajes están accesibles a nivel del suelo.
La desventaja es que las VAWT no son tan eficientes como las HAWT, alcanzando alrededor del 40% de eficiencia frente al 50% de las de eje horizontal. Esta diferencia y limitaciones de escala explican su menor uso en proyectos comerciales.
Pararrayos: Protege la turbina desviando de manera segura las descargas eléctricas al suelo.
Mástil: Soporta las aspas de la turbina, permitiendo un movimiento rotatorio suave.
Aspas: Capturan la energía del viento desde cualquier dirección y la convierten en movimiento rotatorio.
Cables: Transmiten la energía eléctrica generada desde la turbina hasta los sistemas a nivel del suelo.
Carrete: Gestiona la tensión y el enrutamiento de los cables, asegurando una operación segura y fiable.
Generador: Convierte la rotación mecánica de las aspas directamente en energía eléctrica.
Torre: Eleva y estabiliza la estructura de la turbina, maximizando la exposición al viento.
¿Cómo funcionan las turbinas eólicas?
Las turbinas eólicas funcionan transformando la energía en etapas. Al comenzar a girar, la energía cinética del viento se convierte en energía mecánica y finalmente en energía eléctrica.
El movimiento del aire inicia el proceso al impactar las aspas diseñadas aerodinámicamente. El viento crea diferentes presiones al desplazarse sobre las aspas: un lado tiene menor presión que el otro. Esta diferencia genera fuerzas de sustentación y arrastre, siendo la sustentación la que hace girar el rotor. Las turbinas eólicas funcionan como las alas de un avión que generan sustentación.
Un eje conecta el rotor giratorio con un generador y transfiere la energía del giro. La mayoría de los diseños usan una caja de engranajes (gearbox) para aumentar la velocidad de rotación lenta de las aspas (5-25 rpm) a la velocidad necesaria para el generador (1,000-2,000 rpm). Las turbinas de accionamiento directo modernas no utilizan caja de engranajes y permiten que los generadores operen a diferentes velocidades.
En el diseño horizontal, el sistema de guiñada (yaw) asegura que las turbinas estén orientadas hacia el viento para capturar la máxima energía. Ajusta la posición de la góndola según la dirección del viento. El sistema de paso (pitch) controla los ángulos de las aspas y la velocidad del rotor para maximizar la energía conforme cambian las condiciones. En el diseño vertical no es necesaria la orientación al viento, por lo que los modelos Darrieus son ideales para sitios con vientos turbulentos.
La velocidad del viento, la densidad del aire, el área barrida por las aspas y la altura de la torre afectan el rendimiento de las turbinas. Este sistema coordinado captura un recurso renovable inagotable, transformando el viento en energía eléctrica útil mediante componentes diseñados con precisión que trabajan en conjunto.
¿Cuáles son los principales componentes de una turbina eólica?
Las turbinas eólicas modernas combinan varios componentes especializados que trabajan en conjunto para convertir la energía del viento en energía eléctrica. Cada componente cumple un papel específico en el sistema.
Sistema de control del ángulo de las aspas (Blade Pitch Control System)
El sistema de paso (pitch) cambia el ángulo de las aspas de la turbina eólica respecto al viento y regula la velocidad del rotor y la producción de energía. Este mecanismo vital puede “emplumar” las aspas cuando la velocidad del viento es demasiado alta para evitar daños. Actúa como el freno principal (freno turbina eólica) mediante el frenado aerodinámico, eliminando la necesidad de frenos mecánicos. Responde a las condiciones cambiantes del viento y optimiza la producción energética manteniendo la operación segura.
Aspas del rotor
La mayoría de las turbinas modernas utilizan tres aspas de fibra de vidrio que superan los 170 pies (52 metros) de longitud. Las aspas marinas son aún más grandes; por ejemplo, la Haliade-X de GE tiene aspas de 351 pies (107 metros), del tamaño de un campo de fútbol. El viento que pasa sobre estas superficies aerodinámicas crea diferentes presiones de aire, generando fuerzas de sustentación y arrastre, siendo la sustentación la que hace que las aspas giren.
Sistema de guiñada (Yaw System)
El sistema de guiñada (yaw) gira la góndola para que la turbina se mantenga alineada con la dirección cambiante del viento. Las turbinas de viento frontal necesitan accionamientos de guiñada activos para girar la góndola, mientras que los diseños de viento trasero permiten que el viento posicione el rotor de forma natural. Las turbinas comerciales normalmente usan sistemas de guiñada activos con rodamientos de rodillos entre la torre y la góndola, motores eléctricos y frenos para bloquear la posición tras los ajustes. Este sistema influye mucho en la producción energética mediante un seguimiento exacto del viento.
Góndola (Nacelle)
La góndola es el núcleo de la turbina eólica y contiene todas las partes generadoras. Se ubica en la parte superior de la torre y sostiene el rotor mientras convierte el movimiento giratorio en energía eléctrica. La góndola de una turbina eólica con caja de engranajes de 1.5 MW puede pesar más de 4.5 toneladas. Los componentes principales dentro incluyen el buje principal, caja de engranajes (gearbox), generador y sistema de guiñada.
Caja de engranajes (Gearbox)
La caja de engranajes es vital para la transmisión. Convierte la lenta pero potente rotación del rotor en la alta velocidad necesaria para el generador. Los equipos de mantenimiento prestan especial atención a la caja de engranajes debido a problemas de fiabilidad. Monitorizan la temperatura de la caja y la calidad del aceite para evitar fallos causados por suciedad, calor y desgaste.
Generador
El generador transforma la energía mecánica en electricidad mediante bobinas de cobre que giran dentro de un campo magnético. Existen diferentes tipos como generadores síncronos, asíncronos (de inducción) y de accionamiento directo. Algunos usan imanes permanentes, eliminando la necesidad de corriente de excitación y manteniendo alta eficiencia.
Sistemas de control
El controlador actúa como el cerebro de la turbina eólica. Arranca cuando la velocidad del viento alcanza entre 7 y 11 mph y se detiene por encima de 55-65 mph. Los sistemas inteligentes de control supervisan la salud de la turbina, mejoran el rendimiento y trabajan en conjunto con las operaciones de la red eléctrica. Además, coordinan las funciones de paso (pitch) y guiñada (yaw) para maximizar la energía capturada en condiciones variables de viento.
Preguntas frecuentes (FAQs)
Pregunta: ¿Cuáles son los componentes principales de una turbina eólica?
Respuesta: Una turbina eólica consta de varios componentes clave, incluyendo las aspas del rotor, la góndola, el generador, la caja de engranajes (gearbox), el sistema de guiñada (yaw) y los sistemas de control. Las aspas capturan la energía del viento, mientras que la góndola alberga los componentes generadores. El generador convierte la energía mecánica en electricidad, y la caja de engranajes aumenta la velocidad de rotación. El sistema de guiñada alinea la turbina con la dirección del viento, y los sistemas de control gestionan la operación y el rendimiento.
Pregunta: ¿Cómo genera electricidad una turbina eólica?
Respuesta: Las turbinas eólicas generan electricidad convirtiendo la energía cinética del viento en energía mecánica y luego en energía eléctrica. A medida que el viento fluye sobre las aspas diseñadas aerodinámicamente, crea una diferencia de presión que hace girar el rotor. Esta energía rotacional se transfiere mediante un eje al generador, que produce electricidad. El proceso comienza con velocidades de viento tan bajas como 7 mph y alcanza máxima eficiencia alrededor de 18 mph.
Pregunta: ¿Cuáles son los principales tipos de turbinas eólicas?
Respuesta: Existen dos tipos principales de turbinas eólicas: turbinas de eje horizontal (HAWT) y turbinas de eje vertical (VAWT). Las HAWT son más comunes y eficientes, con aspas que giran perpendiculares a la dirección del viento. Las VAWT tienen un eje rotor vertical y pueden captar viento desde cualquier dirección. Cada tipo tiene sus ventajas y es adecuado para diferentes aplicaciones y entornos.
Pregunta: ¿Cómo se adaptan las turbinas eólicas a las condiciones cambiantes del viento?
Respuesta: Las turbinas eólicas utilizan varios sistemas para adaptarse a las condiciones cambiantes del viento. El sistema de guiñada (yaw) rota la góndola para mantener la alineación con la dirección del viento. El sistema de control del ángulo de las aspas (pitch) ajusta los ángulos para optimizar la captura de energía y mantener una operación segura. Los sistemas avanzados de control monitorizan la velocidad y dirección del viento, ajustando automáticamente la operación para maximizar la eficiencia y proteger el equipo en condiciones extremas.
