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La energía eólica es la producida por la fuerza del viento. Es un tipo de energía renovable, cuya fuente es la inagotable fuerza del viento. Uno de sus primeros usos fue para la navegación en vela, en la que la fuerza del viento es utilizada para impulsar un barco.
Una característica de esta energía renovable, es la utilización que se les puede ofrecer, ya que cuanto mayor es el número de molinos, mayor será la potencia que genera. Una limitación de esta característica es la disposición geográfica.
En la actualidad se utiliza, sobre todo, para mover aerogeneradores, que son molinos que a través de un generador producen energía eléctrica. Suelen agruparse en parques eólicos, concentraciones de aerogeneradores necesarias para que la producción de energía sea rentable.

En España podemos encontrar grandes parques de generación de energía eólica como está sucediendo con otras energías renovables como: la termosolar o la biomasa

¿Qué es la energía eólica?

Le energía eólica es un tipo de energía renovable cuya fuente es la fuerza del viento. La forma típica de aprovechar esta energía es a través de la utilización de aerogeneradores o turbinas de viento.

Ventajas de la energía eólica

Sin lugar a dudas, el gran desarrollo de esta energía renovable en los últimos tiempos es debido a sus magnificas ventajas. Veamos las ventajas más representativas:

  • Es una energia renovable no contaminante y sostenible
  • La materia prima es el viento, una fuerza de la naturaleza inagotable y limpia
  • No utiliza combustión, por lo tanto es una energía económica
  • Aprovecha las zonas áridas, o no cultivables por su topografía
  • No daña el suelo y sus fines agrícolas o ganaderos
  • Genera empleo
  • Es segura y fiable
  • Ahorra gasto de combustible en centrales térmicas y/o hidroeléctricas
  • Su impacto ambiental es bajo

Inconvenientes de la energía eólica

A pesar de las anteriores ventajas, aun no es una tecnología perfecta, y hemos advertido algunos inconvenientes

  • Es discontinua, su intensidad y dirección cambian repentinamente
  • La fluctuación en la intensidad del viento produce apagones y daños
  • Requiere cables de alta tensión más gruesos para evacuar la producción
  • No es almacenable
  • Altera el paisaje
  • Perjudica el ecosistema y causa mortalidad en la avifauna

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¿Cómo funciona la energía eólica?

Las palas del viento, giradas por la acción del viento, transforman la energía cinética generada por el viento en energía mecánica. Más tarde, un generador conectado a las palas transforma la energía mecánica provocada por la rotación de las palas en energía eléctrica.
Las palas de los aerogeneradores están conectadas a un generador o también llamado rotor. Este está conectado a un eje situado en el extremo. Envía la energía de rotación al generador eléctrico colocado en la base de la estructura. Este generador utiliza algunos imanes y propiedades de inducción electromagnética para producir un voltaje eléctrico y, por lo tanto, produce energía eléctrica.
Existen varios tipos de turbinas y varios tipos de cuchillas dependiendo de su tamaño o tipo de eje. Sólo el 59% de la energía cinética se puede convertir en energía mecánica. Esto es debido a la desaceleración que sufre el viento motivado por la resistencia del aerogenerador.

Los aerogeneradores en la energía eólica

La energía del viento es aprovechada mediante el uso de máquinas eólicas (o aeromotores) capaces de transformar la energía eólica en energía mecánica de rotación utilizable, ya sea para accionar directamente las máquinas operatrices (molinos), o para la producción de energía eléctrica. En este último caso, el sistema de conversión es conocido como aerogenerador.
Instalados en áreas con fuertes vientos, estos equipos desarrollan más de 100 kilovatios. La electricidad resultante alimenta la red eléctrica, desde donde llega al usuario final a través del sistema de energía.
El aerogenerador comprende un generador eléctrico y unos sistemas de control y de conexión a la red
La baja densidad de energía eólica por unidad de superficie, implica la necesidad de proceder a la instalación de un número mayor de máquinas para el aprovechamiento de los recursos disponibles. Para que su instalación resulte rentable, suelen agruparse en concentraciones denominadas parques eólicos. Los parques eólicos están compuestos por varios aerogeneradores implantados en el territorio conectados a una única línea que los conecta a la red eléctrica nacional o regional.

En estos parques, la energía eólica mueve una hélice y mediante un sistema mecánico se hace girar el rotor de un generador, normalmente un alternador, que produce energía eléctrica.. En la actualidad, existen muchas plantas de energía eólica, especialmente en áreas expuestas a vientos frecuentes, como zonas costeras, alturas montañosas o islas.

 

Los componentes de un aerogenerador

Actualmente, se continua desarrollando mejores tecnologías que permitan aumentar el rendimiento de los aerogeneradores. Aun así podemos decir de forma general que un aerogenerador consta de los siguientes componentes:

El rotor

El rotor: está formado por las palas y el buje. Cuando el viento incide sobre las palas, éste provoca un movimiento rotacional que se transfiere al buje. El buje está acoplado al eje de baja velocidad del aerogenerador y le, transmite la potencia del movimiento.

La góndola

La góndola es una estructura que contiene en su interior un eje de baja velocidad, el multiplicador, el eje de alta velocidad, el generador de corriente, la unidad de refrigeración, el controlador electrónico, el freno, el anemómetro y la veleta.
El movimiento del eje de baja velocidad es amplificado mediante la caja de engranajes, también conocida como multiplicador. El multiplicador aumenta la velocidad de rotación del rotor unas 50 veces. La consecuencia es que la velocidad de rotación que recibe el generador a través del correspondiente eje alcance unas 1.500 rpm.

En el generador se convierte la energía mecánica en energía eléctrica. Su potencia varía en función de las características técnicas del aerogenerador.
La unidad de refrigeración contiene un ventilador que se emplea para enfriar el generador eléctrico. Incluye una unidad refrigerante por aceite empleada para enfriar el aceite del multiplicador. Algunas turbinas tienen generadores refrigerados por agua.
El controlador electrónico es un ordenador que analiza en continuo las condiciones del aerogenerador y controla el mecanismo de orientación. En caso de cualquier anomalía detiene automáticamente el aerogenerador y envía una señal al ordenador del operario encargado de su mantenimiento.
El anemómetro y la veleta son instrumentos de medición del viento necesarios para la monitorización del controlador del aerogenerador. Así alcanzamos la orientación óptima, y por tanto, la de mayor rendimiento.
El controlador electrónico conecta el aerogenerador cuando el viento alcanza aproximadamente una velocidad de 5 m/s, y lo parará cuando esta velocidad supera los 25 m/s. El motivo es proteger a la turbina y al rsto de equipos mecánicos. Las señales de la veleta son utilizadas por el controlador electrónico para girar el aerogenerador en contra del viento, utilizando el mecanismo de orientación.
El eje de alta velocidad está equipado de un freno de disco mecánico de emergencia, utilizado en caso de fallo del freno aerodinámico, o durante las labores de mantenimiento de la turbina.

La torre

La misión de la torre es sostener la góndola y el rotor. Se inserta en el terreno mediante una zapata de cimentación armada. La altura de la torre está relacionada con la cantidad de energía generada por el aerogenerador.

Posteriormente un transformador aumentará la tensión eléctrica para ser transportada a la red eléctrica.

El almacenamiento de energía eólica

Descripción del de almacenamiento de energía eólica en la planta de Barasoain

La planta de Barasoain está dotada de un sistema de almacenamiento integrado por dos baterías ubicadas en sendos contenedores.
Una batería de potencia de 1 MW/0,39 MWh y otra batería de energía de respuesta más lenta y mayor autonomía, de 0,7 MW/0,7 MWh.
La primera es de respuesta rápida y es capaz de mantener 1 MW de potencia durante 20 minutos. La segunda es de respuesta más lenta y es capaz de mantener 0,7 MW durante 1 hora
Ambas están conectadas a un aerogenerador AW116/3000, de tres megavatios de potencia nominal y tecnología Nordex-Acciona Windpower, del que toman la energía.
Esta turbina eólica es una de las cinco que integran el Parque Eólico Barasoain. Todo el sistema se gestiona mediante un paquete de control desarrollado por Acciona Energía, y está permanentemente supervisado por el Centro de Control de Energías Renovables (Cecoer) de la compañía.

Los aerogeneradores marinos

Instalados en mares u océanos de todo el mundo, estos generadores están desarrollándose y a punto de pasar de prototipos a realidad.
Frente a la bahía de Ostende nos encontramos el molino de viento marino mayor del mundo. Este molino de mar desafía las dificultades que plantea toda construcción dentro del agua. El Haliade 150, de Alstom, se eleva más de 100 metros sobre la superficie del mar y está situado a 45 kilómetros de la costa. Está ubicado en el parque eólico de Belwind. Se llama así porque el diámetro de su rotor mide 150 metros. Cada una de las tres palas alcanza los 73,5 metros de radio. Desarrolla seis megavatios de potencia. Este modelo podrá suministrar energía eléctrica a unas 5.000 viviendas. Si bien aún está en fase experimental este prototipo comprobará el proyecto y los estudios de varios años, dando valores fiables sobre el comportamiento de la máquina en mar abierto.
Es razonable aumentar la altura de los molinos dentro del mar, porque la velocidad del viento aumenta con la altitud. Sin embargo, las condiciones marinas son mucho más difíciles que las terrestres para cualquier máquina. Esto implica que los aerogeneradores sean lo más robustos y simples posible para minimizar el mantenimiento. Para alcanzar dicho objetivo se eligen los materiales y los tratamientos de protección para que resistan el mayor tiempo posible en condiciones idóneas de funcionamiento.
La turbina funciona de forma aislada en medio del ámbito marino. Por esta razón interesa minimizar el número de piezas rotatorias en su interior. Se busca aumentar la fiabilidad. La tendencia futura es utilizar tecnología de transmisión directa entre las palas y un generador de imanes permanentes, eliminando las antiguas cajas de cambio.

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La energía eólica en España

La energía eólica, un año más, ha sido una de las principales fuentes del sistema eléctrico español.
Según datos de la Asociación Empresarial Eólica (AEE), en 2018, la eólica ha aportado el 19% de la electricidad consumida en España, siendo la segunda tecnología del sistema energético. En el conjunto del año, la eólica generó 48.902 GWh, un 2,9% superior a la aportación de 2017.
En 2018, España ha incrementado la potencia eólica instalada en 392 MW, sumando un total de 23.484 MW eólicos. Este volumen de potencia nos sitúa como segundo país europeo en potencia eólica instalada y el quinto a nivel mundial.
La cifra de megavatios eólicos instalados en 2018 pone de manifiesto el relanzamiento del sector eólico español y la vuelta a la actividad. De la nueva potencia eólica instalada en España, 190 MW (el 48,5% del total) corresponden a parques en las Islas Canarias. El resto de los megavatios instalados -unos 200 MW- corresponden a Aragón, Galicia, Andalucía, Castilla La Mancha y Cataluña.

El futuro de la energía eólica en España

El Plan Nacional Integrado de Energía y Clima (PNIEC) 2021-2030 define los objetivos de reducción de emisiones de gases de efecto invernadero y de implantación de energías renovables, nos muestra el camino para los próximos años en nuestro país.
PNIEC será evaluado y debatido por los distintos agentes en España durante el año 2019. Según PNIEC, el horizonte para el 2030 es tener una potencia total instalada en el sector eléctrico de 157 GW, de los que 50 GW serán energía eólica.
La presencia de las energías renovables sobre el uso final de la energía en el conjunto de la economía llega al 42% en 2030 (desde el 17% actual).
El objetivo proyectado para 2050 es alcanzar la neutralidad climática. Esto se alcanzaría con la reducción de al menos un 90% de nuestras emisiones de GEI y alcanzar un sistema eléctrico 100% renovable.

Datos anteriores de energía eólica en España

El uso de las energía renovables en España, en el año 2015 generó un 34,6 % de la demanda total. De este 34% la energía eólica proporciona un 17,6%. La energía eólica ha llegado a proporcionar un 40% de la demanda total de electricidad, con un 74’5% de la potencia eólica en funcionamiento. Se han dado casos, en que se ha desconectado hasta un 37% de los aerogeneradores ya que no se podía absorber todo la electricidad que proporcionan.
La potencia eléctrica instalada a finales del año 2015 de energía eólica ascendía a 5.425 kW, y continua en aumento. En la actualidad, España es el segundo del mundo en cuanto a la potencia eólica instalada, solamente por detrás de Alemania, y continúa progresando.
Al igual que hay picos de generación máxima, también los hay cuando no sopla el viento, en este caso en los parques eólicos se utilizan los acumuladores para producir electricidad.

La energía eólica a nivel mundial

Según estimaciones del Consejo Mundial de Energía Eólica (GWEC) sobre el mercado eólico mundial en 2018, el año pasado la potencia eólica instalada en el mundo habría alcanzado 591 GW.
Durante 2018, la potencia eólica mundial se ha incrementado en 51,3 GW (46,8 GW onshore y 4,49 GW offshore). China, EE.UU., Alemania e India han sido los países que más potencia han instalado en el año y continúan siendo líderes a nivel mundial.
En Europa, en 2018, según WindEurope, la potencia total instalada habría sido de 11,7 GW. La nueva potencia ha estado liderada por Alemania, seguido de Reino Unido y Francia. Por su parte, España continúa siendo el segundo país europeo con más potencia instalada con 23,5 GW.
En 2018, se han instalado 2,65 GW eólicos offshore en aguas europeas. Con esta nueva potencia, la capacidad total instalada de eólica marina asciende a 19 GW.

La energía eólica en Europa

En total, la Unión Europea cuenta ya con 189 GW eólicos. Con los 375 TWh generados con toda esa potencia, se habría cubierto la demanda de 67 millones de hogares de la UE (o el consumo de 167 millones de europeos).
Además, se ha evitado la emisión de 208 millones de toneladas de CO2 a la atmósfera, y la importación de combustibles fósiles por valor de más de 14.500 millones de euros.

La energía eólica en Asia

En el continente asiático, China, en primera posición en el ranking mundial, ha sumado 23 GW en 2018, y cuenta con una capacidad eólica de 188 GW. Esto representa el 35% de la potencia eólica mundial.
India también tuvo un buen año con la instalación de 2.200 MW y cuenta ya con 35 GW de potencia eólica.
Por otro lado, Pakistán, Tailandia y Vietnam se mantienen como mercados prometedores. Además, hay movimientos en otros mercados como el japonés, pero, sobre todo, en el de Corea del Sur, como resultado de las políticas promulgadas por el nuevo gobierno.

La energía eólica en América

Según los datos preliminares de GWEC, en toda América se habrían instalado 11,9 GW de nueva potencia eólica en 2018, con un incremento del 12% respecto a 2017.
Estados Unidos ha experimentado otro año consecutivo con un fuerte crecimiento en energía eólica con la instalación de 7,5 GW, lo que supone un total de 96,6 GW eólicos instalados en el país.
La compra directa de electricidad limpia por parte de grandes compañías locales está desempeñando un papel cada vez más importante en ese mercado, ya que el número de corporaciones (Google, Apple, Nike, Facebook, Wal-Mart, Microsoft, etc.), que firman contratos de energía eólica y solar, continúa creciendo en el país.
En Sudamérica, Brasil acumuló cerca de 2 GW, a pesar de las crisis políticas y económicas, mientras que México instaló algo menos de 1 GW.
Cabe destacar que los precios logrados por la energía eólica en las subastas en todo el mundo siguen sorprendiendo. En lugares tan diversos como India, Brasil o Arabia Saudí, el MWh ronda los 0,03 dólares. En Alemania y en Holanda, se han celebrado subastas de eólica marina sin incentivos, con ofertas por más de 1 GW de nueva capacidad que no recibirán más que el precio mayorista de la electricidad.

Datos anteriores de energía eólica a nivel mundial

En el año 2013, se alcanzaron los seis gigavatios de potencia instalada, desglosada en 1.939 aerogeneradores marinos en 58 parques eólicos en aguas de 10 países. En aquel momento en el continente europeo estaban el 90% de los molinos de viento marinos del mundo. Se planteo un objetivo hoy día alcanzado: llegar en 2020 a los 40 gigavatios, lo que equivaldría a un 4% de la demanda de energía eléctrica, según la Asociación Europea de Energía Eólica (EWEA).
Las iniciativas que han fomentado la instalación de aerogeneradores proceden de los gobiernos. Un caso a destacar es Alemania donde la ley obligaba a las compañías eléctricas a pagar a los productores de renovables el 90% del precio abonado por el consumidor.
Un desafío anterior fue buscar un modelo de aerogenerador eficaz que tenga un menor impacto visual, y que no dañara a las aves. También se investigó para obtener esta energía a partir de aerogeneradores flotantes que, instalados en el mar reducen el impacto de los aerogeneradores convencionales.

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La energia eolica pequeña escala

No existe una clasificación convencional que defina la energía eólica a pequeña escala. No obstante, en este apartado nos referiremos a una potencia instalada inferior a 100 kW. El motivo es establecer una analogía con las instalaciones hidroeléctricas, teniendo en cuenta que por debajo de los 20-30 kW aproximadamente, el uso que se le dará será el doméstico, mientras que por encima de esa potencia se tratará de aplicaciones  industriales, normalmente de unos centenares de kW.

La potencia de una instalación mini-eólica se calcula mediante la fórmula:

P = r/2 Cp h A v3

donde:

P   =   potencia medida en Vatios

r   =   densidad de la masa de aire medida en kg/m3

Cp =   coeficiente de potencia máximo de una turbina ideal de eje horizontal, igual a 16/27 = 0.593

h   =   eficiencia mecánica y eléctrica de la turbina

A   =   área circular de movimiento de las palas del rotor y en la que se mueve la masa de aire expresada en mq

v    =     velocidad de la masa de aire antes de pasar por las palas, medida en m/s

Para este tipo de instalación se puede considerar, a causa de inevitables factores de escala, un rendimiento global comprendido entre 0,3 y 0,6, o sea, inferior a las instalaciones eólicas de dimensiones normales.

Configuración de las turbinas

La mayoría de los mini-generadores son de eje horizontal con rotor a barlovento respecto a la torre (el viento encuentra primero las palas y luego el soporte) y conicidad nula (el plano de rotación de las palas forma una línea paralela ideal con la horizontal).

Existen diferentes configuraciones de turbinas eólicas: monopala, bipala, tripala, multipala.  El aumento del número de palas disminuye la velocidad de rotación, aumenta el rendimiento y encarece el precio de estas turbinas.

Excluyendo la monopala y la multipala que tienen aplicaciones especiales, el mercado se ha concentrado en la bipala y en la tripala, orientándose sobre todo hacia esta última configuración.

La configuración de turbina tripala permite un motor más uniforme y, por lo tanto, la vida útil alcanza una mayor duración. La energía producida es ligeramente superior, es decir, se obtiene un rendimiento mayor. Además, son visualmente menos agresivos, gracias a que tienen una configuración más simétrica y una velocidad de rotación más baja.

Una ventaja de integración paisajística es que es que la velocidad de rotación menor es más relajante para los ojos de quien la observa. Por lo tanto, se reduce el impacto visual sobre el paisaje.

Material de composición de las palas

La mayor parte de las turbinas mini-eólicas utilizan palas fabricadas con metal plaqueado, poliéster reforzado con fibra de vidrio o, en menor proporción, con fibras de carbono, y raramente madera. Se ha dejado de utilizar el aluminio por su tendencia a deformarse bajo esfuerzo.

Orientación de las palas de energia eolica pequeña escala

El tamaño reducido de las turbinas mini-eólicas no permite colocar motores con orientación del rotor en la dirección del viento.

Sin embargo, casi todas las miniturbinas tienen brazos direccionales para orientar el rotor en la dirección del viento.

La  robustez

Para obtener un buen rendimiento, las turbinas tienen que situarse en lugares batidos por vientos consistentes: para las máquinas de minieólica, teniendo en cuenta su reducido tamaño, es fundamental la robustez.

El peso

Los aerogeneradores de energia eolica pequeña escala más pesados han dado pruebas de ser de mayor robustez y fiabilidad que los más ligeros. 

El peso de una turbina de minieólica comparada con el área batida por su rotor es un buen indicador de elección entre máquinas diferentes. Este peso se conoce como masa específica, y es medible en kg/mq. Normalmente, a una masa específica más alta corresponde un precio más alto.

El control de la potencia

En régimen de viento fuerte, las turbinas tienen que tener un sistema de posicionamiento pasivo del rotor que desvíe el eje respecto al de rotación de la pala.

La mayor parte de las micro y miniturbinas se dobla sobre una bisagra, de modo que el rotor gire hacia el brazo direccional. Este giro puede ser vertical u horizontal.

La velocidad del viento a la que se realiza la desalineación y la forma en la que se verifica dependen de la bisagra colocada entre el brazo direccional y la góndola.

Los generadores

La mayor parte de las turbinas eólicas utiliza alternadores de imán permanente: se trata de la configuración más sencilla y robusta. Para las turbinas de uso doméstico, las configuraciones de alternador pueden ser las siguientes: imán permanente, alternador convencional con devanado del campo y generador de inducción.

La  elección del lugar de instalación

El lugar de colocación de la turbina tendrá que ser determinado debidamente a través de un estudio de la zona.

Por una parte, la cercanía de los elementos que van a utilizar la energía puede resultar perjudicial para la funcionalidad de la máquina (interferencia del viento debida a la proximidad de los edificios).

Además, hay que tener en cuenta el impacto del inevitable ruido producido por la turbina. Por otra parte, la lejanía de los elementos hace que los costes de cableado y enterramiento de las líneas eléctricas sean mayores, además de aumentar la dispersión de energía.

Hace falta encontrar una justa relación entre los dos términos. Se debe considerar la importancia de que la posición de la máquina sea segura. Es decir, buscar un lugar donde, incluso en caso de caída, los daños sean limitados.

Existen casos de aerogeneradores colocados en los tejados de las casas. Se trata de una modalidad bastante controvertida. Por una parte, tiene la ventaja que el montaje es más sencillo. Por la otra parte, presenta el inconveniente de las vibraciones transmitidas por la turbina a las estructuras sobre el edificio que se monta, y de las turbulencias que se van creando alrededor de los tejados. Esto último, causa de una reducción de la potencia generada. La instalación más común sigue siendo la torre, de celosía, tubular o arriostrada.

 

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Si te ha gustado el apartado de energía eólica a pequeña escala, puedes profundizar en el articulo de Turbinas eólicas pequeñas

Curiosidades de la energía eólica: el origen

Todas las energías renovables son generadas directa o indirectamente por el Sol, a excepción de la energía geotérmica y mareomotriz.
El sol irradia una cantidad de 174.423.000.000.000 kilovatios hora de energía a la tierra por hora. Aproximadamente del 1 al 2 por ciento de la energía proveniente del sol se convierte en energía eólica. Eso es alrededor de 50 a 100 veces más que la energía convertida en biomasa por todas las plantas en la tierra.
Las regiones alrededor del ecuador, a 0 ° de latitud, son calentadas más por el sol que el resto del globo.
El aire caliente es más ligero que el aire frío y se elevará hacia el cielo hasta que alcance aproximadamente 10 km de altitud y se extenderá hacia el norte y el sur. Si el globo no girara, el aire simplemente llegaría al Polo Norte y al Polo Sur, se hundiría y regresaría al ecuador.
La dirección del viento está condicionada por efectos topográficos y por la rotación de la Tierra. El conocimiento de las direcciones dominantes es fundamental para instalar los equipos aerogeneradores elegidos para transformar la energía proveniente de este recurso. Los aerogeneradores se deben colocar en lugares donde exista la menor cantidad de obstáculos posibles en estas direcciones.

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