miércoles, 4 de marzo de 2009

LA ENERGÍA DEL VIENTO


Todos sabemos que la fiebre consumista de los humanos es insostenible. Y últimamente este hecho se ha vuelto tan flagrante que hasta los propios humanos se han visto forzados a reconocerlo, a pesar de que durante casi todo su desarrollo industrial han hecho como si no pasara nada. Por fin se han dado cuenta de que los recursos del planeta son limitados, y de que, de seguir como hasta ahora, llegará un momento en el que sólo queden unos pocos despojos, o ni siquiera eso. Y, claro, les está empezando a entrar miedito.


Crecimiento global de emisiones de CO2

Más terrorífico aún resulta que la parte del mundo más desarrollada, lo que ellos llaman el «primer mundo» (culpable, entre otras cosas, de que el planeta parezca un estercolero), no supone ni la mitad de la población, y que las regiones en vías de desarrollo, que es donde se concentra la mayor parte de la gente, van (¡proporcionalmente!) por el mismo camino. Es por eso por lo que buscan como locos formas de energía que no consuman los recursos que aún quedan, que no contaminen, que sean eficientes, y que además sean baratas (sólo les queda pedir que traigan la paz al mundo y que se puedan aplicar como cura para el cáncer). Lo cual explica la curiosa proliferación de molinos de viento (o aerogeneradores).


Aerogeneradores en Dinamarca

En realidad los humanos llevan muchos siglos aprovechando la fuerza del viento para mil cosas, desde bombear agua a moler grano. Sin embargo, el concepto de molino como generador de energía a nivel masivo es un invento más bien reciente. Los aerogeneradores han sido los grandes beneficiados del desarrollo del helicóptero: el hecho de comprender –más o menos, que lo suyo les costó– cómo funciona el ala rotatoria posibilitó un diseño mucho más eficiente de los molinos de viento, ya que en esencia vienen a ser iguales que los helicópteros, aunque con algunas diferencias importantes.


Famosa escena de una famosa novela

En un helicóptero el objetivo es crear una fuerza de sustentación en la dirección perpendicular al plano del rotor que sea capaz de contrarrestar el peso, para lo que es necesario un motor que le suministre potencia, manteniendo la velocidad de giro del rotor y, por tanto, también el movimiento de la corriente de aire a través de él. En cambio un aerogenerador produce potencia debido a que funciona extrayendo energía de una corriente de aire que ya está en movimiento y que a su vez produce una fuerza que lo hace girar. Simplificando: un helicóptero mueve el aire con el rotor y un aerogenerador mueve el rotor con el aire, y el orden de los factores, en este caso, sí que altera el producto.


Curvas de potencia de distintos modelos de aerogeneradores

Hay otra gran diferencia entre un helicóptero y un aerogenerador. Mientras que, por lo general, el rotor de un helicóptero siempre gira a la misma velocidad (lo que simplifica mucho el sistema de transmisión y permite un diseño óptimo del motor), un aerogenerador está sujeto a los caprichos del viento (que es realmente muy, muy caprichoso, como las aves sabemos muy bien). Habrá una velocidad mínima del viento a partir de la cual el generador comience a funcionar, cuando ésta sea suficiente para mover las palas, llamada velocidad de conexión, y una velocidad máxima que garantice la integridad del mismo, que es la velocidad de corte (el rango de funcionamiento suele estar entre 3 y 24 m/s), y a partir de la cual el aerogenerador no puede funcionar. La curva de potencia del generador eléctrico relaciona la velocidad del viento con la potencia que el molino es capaz de producir, que es una magnitud variable, ya que la velocidad del viento también lo es.


Interior de un aerogenerador

Hay que tener en cuenta que, como en el helicóptero, el viento produce fuerzas de sustentación y rozamiento sobre la pala que se invierten en parte en hacer que el aerogenerador gire, y que en parte empujan el molino hacia atrás. Cuanto mayor sea la velocidad del viento, mayor será la velocidad de giro y mayores serán estas fuerzas, haciendo que todo el molino esté sometido a grandes esfuerzos que pueden llegar a romperlo. El aerogenerador debe detenerse para evitar daños a la maquinaria y a la estructura. La mayoría de los aparatos que funcionan hoy en día consiguen esto cambiando el ángulo de paso de la pala, de forma que la fuerza del aire sobre ella sea mínima. Y si este dispositivo no funciona... el siguiente video es un ejemplo bastante gráfico de lo que puede suceder:



Aunque, como decíamos, los aerogeneradores se han puesto muy de moda últimamente, y cada vez se ven más por los campos españoles (de hecho, hay muchos agricultores que han decidido plantar molinos en lugar de cosas más tradicionales), no se puede poner un complejo eólico en cualquier sitio. No sólo hay que tener en cuenta lo abundante de los vientos en la zona: la orografía circundante, la rugosidad del terreno y la presencia de obstáculos son cruciales en el rendimiento de un aerogenerador. La tierra funciona como cualquier otra superficie en presencia de una corriente de aire: los obstáculos y los terrenos rugosos disminuyen la velocidad del viento y crean una zona turbulenta que puede llegar a cubrir por completo un molino de viento convencional (y estamos hablando de alturas de entre 30 y 90 metros). Y para que un molino trabaje a pleno rendimiento lo ideal es una corriente estable y laminar, así que cuanto más pequeña sea la zona turbulenta mucho mejor.


Aerogeneradores off-shore

Según este razonamiento el lugar ideal para colocar un molino de viento es una zona completamente llana, que es por lo que a veces se colocan en el mar directamente. Las zonas de costa también son un buen lugar, ya que el viento suele soplar de forma estable y siempre en la misma dirección, durante el día del mar a la tierra y durante la noche de la tierra hacia el mar. Otro buen emplazamiento son los valles, debido al llamado «efecto túnel», que hace que el viento se acelere al comprimirse entre sus paredes. Y en la cima de una elevación, donde se produce el «efecto colina», que hace que la velocidad sea también mayor que en los alrededores al comprimirse el aire contra la ladera. Entre los efectos negativos se cuentan en general todos los producidos por obstáculos, y en particular por la estela de otros molinos de viento, donde el aire es turbulento y tiene ya muy poca energía. Es decir, que lo ideal sería alejar mucho un molino de otro... algo que sin embargo muchas veces es imposible, debido a la infraestructura necesaria para conectar los molinos a la red eléctrica, así que en los parques eólicos se llega a lo que los ingenieros humanos son aficionados a llamar una «solución de compromiso» entre los dos extremos.


Efecto de la presencia de obstáculos sobre el viento

Hoy en día la producción de energía eólica en España (que es el tercer país del mundo en potencia instalada tras Estados Unidos y Alemania) supone un 15,3% de la producción nacional total, según la REE.



Hay muchos defensores de este tipo de energía entre los humanos, y también, como no podía ser de otra forma (que hablamos de humanos), muchos detractores. Los principales argumentos que esgrimen en contra de los molinos de viento son lo antiestéticos que resultan, ya que destacan mucho sobre el paisaje, el ruido que hacen, que es bastante, y lo peligrosos que resultan para nosotros los pájaros. De donde se sigue que los detractores de los molinos piensan que los pájaros, en general, somos cortos de vista y estamos medio sordos (o eso, o que somos bastante lerdos).


En fin, creo que a estas alturas ya he superado lo de sentirme ofendido por lo que puedan decir los humanos...


28 piopíos:

Francisco dijo...

Gracias!

Anónimo dijo...

Si la memoria no me traiciona... la autorrotación es un puntito justo entre el ala rotatoria del helicoptero y el molino de viento...

El Otro dijo...

Muy bien, ya te echabamos de menos, menos mal que la fama no se te ha subido a la cabeza y te ha alborotado las plumas.
Mis dudas se basan en la eficiencia coste/producción y en la contaminación que genera la construcción de los molinos, tanto en materiales como en como afecta la naturaleza, en concreto ¿como hacéis las aves para evitarlos y no tener 'accidentes'? Una cosa es un arbol estático y otra muy diferente una aspas de Dios sabe cuanto peso rotando a alta velocidad...

El Otro

Orayo dijo...

Fantastica entrada. Todos los enlaces de la pagina windpower son una maravilla.
Y la grafica de potencia frente a velocidad del viento me encanta. Supongo que cada curva es la debida a un modelo de generador. Es curioso como todos los modelos alcanzan su maximo de potencia en torno a la misma velocidad.

salu2!

Lyd dijo...

Francisco: De nada! ;)

Anónimo: Tienes toda la razón, lo dije muy alegremente pensando que un molino de viento está en rotación libre, pero no es así. El "modo helicóptero" consume potencia, en autorrotación la potencia neta es nula (ni se consume ni se produce) y en "modo molino" se produce potencia. Y, por supuesto, un molino de viento no está en rotación libre, ya que tiene un generador eléctrico acoplado al eje al que tiene que aportar potencia. Mis disculpas! Y muchas gracias por sacarme del error! (Hay una gráfica que salía en los apuntes de helicópteros donde se ven muy bien los distintos modos de funcionamiento de un rotor; me hubiera gustado ponérosla, pero no he sido capaz de encontrarla por la web, y no tengo mis apuntes en Madrid... una lástima.)

El Otro: Espero que la fama no se me suba nunca a la cabeza! (por suerte no soy tan famosa). La verdad es que no tengo mucha idea sobre la eficiencia coste/producción, pero no creo que sea demasiado alta en comparación con otras formas de energía; las infraestructuras son más bien sencillas y el personal necesario para mantener un parque eólico es poco. Tengo entendido que la parte que se lleva más gastos es la del transporte de los molinos (seguro que has visto alguna vez camiones llevando palas o secciones de la torre por la autopista, en la A-6 se ven bastante, y son de un tamaño muy impresionante).
En cuanto a cómo evitar los molinos... claro que ocurren accidentes, igual que hay coches que atropellan a gente, pero como dice Juan los aerogeneradores se ven y se oyen bastante. Supongo que el mayor problema desde el punto de vista de un pájaro está en el hecho de que el rotor gira más bien despacio, mientras que la velocidad de punta de pala es muy alta, y eso puede despistarles. De todos modos no hay que hacer mucho caso a Juan de la Cuerva en este caso, ya sabes que siempre aprovecha la mínima de las oportunidades para meterse con los humanos ;)

Orayo: Sí, esa página está genial. Os recomiendo también una página española de un parque eólico experimental donde hacen bastante labor divulgativa: Sotavento.
Las curvas de potencia son para distintos modelos de aerogeneradores (algunos son

Lyd dijo...

(perdón, se me publicó el comentario sin querer, continúo con lo que estaba diciendo)

...algunos son modelos españoles. El máximo de la curva depende del sistema de transmisión entre la hélice y el generador, y del generador claro. Supongo que todos tendrán una maquinaria muy parecida.

sandglasspatrol dijo...

Lyd, anónimo era yo

Lyd dijo...

Y cómo esperabas que lo adivinara? xD

Gracias, Gizmo! ;)

Rafa dijo...

El video que has puesto es de una máquina Vestas algo antigua. El problema que tubo, creo recordar, fue en el rotor, no en las palas (no sé si era de paso variable). Quedó el rotor libre y ante un vendaval no entró el freno, así que aceleró hasta que la fuerza transmitida de torsión al fuste del aero fue excesiva.
El Otro: El último estudio que vi http://www.aeeolica.es/ creo que señalaba que la energía necesaria en la fabricación y montaje de un aerogenerador se recuperaba en unos meses. En la parte medioambiental no me meto, pues creo que depende de cada emplazamiento y la alternativa de generación que exista.

Orayo: La curva de potencia depende de cada aerogenerador, no sólo marca sino modelo. Existe una norma IEC sobre los empelzamientos y tipos de máquina. Depende mucho de las velocidades medias y de ráfaga, así como de la turbulencia del emplezamiento, pues el tipo de pala, mecánica del rotor y software de control dependen de ello, para maximizar la generación. La gráfica es un poco antigua.

cosechadel66 dijo...

Super interesante tu entrada. En cuanto a lo de la polémica o no, me da la impresión que hemos llegado a un punto en el que la polémica se crea si o si sobre todo tema. En fin, a ver si la lógica se hace valer...

Lyd dijo...

Rafa: Gracias por la aportación! Me encanta que los chorlitos añadáis información a lo que yo escribo :)
Y bueno, el objetivo del video era ilustrar lo que pasa cuando se deja que un aerogenerador funcione en esas condiciones. Me pareció bastante impresionante, por eso lo puse.
En cuanto a las curvas de potencia, yo supongo que serán las curvas nominales en condiciones parecidas de funcionamiento, si no no tendría mucho sentido compararlas, no?

cosechadel66: Pero qué razón tienes! ;)

Anónimo dijo...

increible blog! muy currado, vivan los pajaros!

Anónimo dijo...

a ver, una apreciacion, el fuste siempre soportara una fuerza opuesta a la direccion del viento. la fuerza del viento siempre sera "hacia atras" y no depende del sentido de giro de la helice, dado que puede girar en ambos sentidos, solo depende del diseño de la pala, de hecho un avion siempre va hacia adelante, independientemente de hacia donde gire la helice, dado que se diseñan con ambos sentidos de giro, pero siempre con empuje positivo, claro, a ver quien quiere ir como los cangrejos, jejeje.

y que yo sepa se sabia como funcionaban las helices mucho antes de la invencion del helicoptero, dado que helices de paso variable ya existian mucho antes de la wwii creo recordar. y el autor-giro es de los años 30 aprox.

por cierto, te fijas solo en los aerogeneradores de eje horizontal, cuando los hay tambien de eje vertical y alguno mas un tanto extraño. vale que son los que mas extendidos estan, pero no los unicos.

por cierto, un helicoptero en auto-rotacion y en todos los modos, el balance energetico es nulo. vamos que la energia generada se consume en resistencias y sustentacion. en auto-rotacion es la fuerza de la gravedad la que hace que siga girando y generando sustentacion la helice al generar una corriente de aire en la caida. lo mismo que un auto-giro cuando se apaga el motor. y la helice de un auto-giro siempre va en "auto-rotacion".

por cierto, te fijas solo en los aerogeneradores de eje horizontal, cuando los hay tambien de eje vertical y alguno mas un tanto extraño. vale que son los que mas extendidos estan, pero no los unicos.


enfin que veo un monton de gazapos tecnicos en este post.

Lyd dijo...

Hola, Anónimo. Antes que nada, muchas gracias por tu comentario. La verdad es que soy bastante consciente de lo propensa que soy a cometer errores, y siempre agradezco mucho que me los señalen.

En cuanto a las fuerzas que soporta un aerogenerador, tienes razón. Cuando escribí el post intenté hacerme un esquema mental de las fuerzas que actúan sobre la pala, pero se me debió de cruzar algún cable… hoy lo he hecho en condiciones sobre el papel y, efectivamente, la fuerza resultante sobre el perfil puede descomponerse en una que acompaña al giro y otra perpendicular al plano del rotor, en el sentido del viento (bien visto, resulta bastante lógico, ya que a fin de cuentas el rotor es un obstáculo al que el viento está empujando). Por lo tanto el fuste debe oponerse a esa fuerza para sujetar el rotor en su sitio.

En cuanto a la historia… sí, el funcionamiento de las hélices ya se conocía, yo no he dicho lo contrario. De hecho, el grabado que puse de nuestro amigo Don Quijote es una buena prueba de ello, no? La idea del molino de viento es muy antigua. A lo que me refería es que, hasta que no se ha comprendido del todo cómo funciona realmente el ala rotatoria (a raíz del desarrollo de la teoría BEMT), no se ha podido llegar a un diseño lo bastante eficiente como para producir energía a nivel masivo como se hace en la actualidad.

Lo de hablar sólo de los aerogeneradores de eje horizontal yo no lo llamaría gazapo… es más bien una omisión, y fue una decisión consciente. Tampoco quería escribir una tesis sobre aerogeneradores…

En cuanto a la energía, obviamente, lo que el motor produce se invierte en mantener el vuelo y en vencer fricciones varias (lo de que la energía ni se crea ni se destruye y esas cosas), pero yo no me refería a eso. Yo hablaba de la potencia producida por el motor, que sólo es nula cuando la hélice funciona en autorrotación (prueba de esto es que en ese caso no es necesario un rotor antipar que contrarreste el par motor, por ejemplo; porque el rotor está girando libremente y no hay reacciones entre éste y el helicóptero). Fuera de ese modo, o bien funciona consumiendo potencia, o como un molino, produciéndola. Sigo lamentando no tener a mano mis apuntes de helicópteros para subir la gráfica con los modos de funcionamiento, ahí se veía muy bien.

Y bueno… tampoco eran tantos gazapos, no? Ya he corregido lo de la fuerza en el fuste, y también he borrado toda mención a la palabra autorrotación para no dar pie a más confusiones. Admito que el primero era un error bastante garrafal, espero que ningún profesor de helicópteros de mi escuela lo lea, no sea que decidan quitarme el aprobado y obligarme a estudiarla otra vez…

Saludos!

aergenium dijo...

Hola,
estupendo post como siempre.
Te mando un enlace a un post que escribí hace tiempo con unos esquemas de funcionamiento del helicóptero y el autogiro, no se si serán estos los que tenían tus apuntes perdidos :-)

http://blog.aergenium.es/2008/11/la-policia-nacional-patrullar-en.html

Por cierto, he visto que he has incorporado al grupo de Linkedin, ¡Bienvenida!. Sería estupendo que te animaras a participar en alguno de los debates, hace falta gente con cosas que decir.

Un saludo,

M.Heredia

Lyd dijo...

Gracias!
Por cierto, muy interesante tu post sobre la policía y los autogiros, no tenía ni idea! Aunque por desgracia el gráfico, aunque ilustrativo, no es el que buscaba. La próxima vez que vaya a Valladolid tendré que traerme unos cuantos apuntes.

Y muchas gracias también por la bienvenida a Linkedin, aunque últimamente no tengo tiempo ni para respirar, así que me pasaré poco por el grupo. Se me están acumulando mogollón de cosas para hacer cuando termine el proyecto! ;)

cosechadel66 dijo...

Demostremos quienes somos

http://cosechadel66.wordpress.com/2009/05/05/demostremos-quienes-somos/

Anónimo dijo...

http://www.thescientificcartoonist.com/wp-content/photos/aeronautic.png

para cuando el proximo lyd!

Lyd dijo...

Me temo que hasta que no entregue el proyecto en julio va a ser poco menos que imposible. Tengo unas cuantas ideas, y muchas ganas de ponerlas por escrito, pero tendrán que esperar, porque ahora mismo estoy un poco desbordada. Pero ya queda menos! (menos mal)

Muy buena la viñeta, por cierto, una gran verdad xD

Folken dijo...

Suerte con el proyecto

Lyd dijo...

Muchas gracias, Folken! :D

dunnedain dijo...

me encanta tu blog, aprendo muchas cosas a la vez que me rio,yo solo se un poquito de dibujar y ya está,pero estás como enlace en mi blog.

ciao!
saludos desde barcelona

Angel Sanz dijo...

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Proximo dijo...

Se echan de menos tus post Lyd (en serio)

Pero no hagas nada NADA hasta entregar el proyecto, te lo dice uno que arrastró el suyo más de lo que le hubiese gustado ^^

Lyd dijo...

Yo también echo de menos escribir. Pero ya no queda nada! Como muy tardísimo entregaré el proyecto el próximo lunes, y si puedo, antes :D

Y ya tengo un par de ideas sobre las que escribir ;)

Hasta muy pronto!

HAZ dijo...

Nunca Comento, pero siempre leo tus entradas, hacen falta de verdad jeje... un saludo desde Argentina y mucha buena energía... y una pregunta... en que año de Ing. vas?

Lyd dijo...

Gracias por escribir, HAZ. En cuanto a tu pregunta... pues mira, justamente ayer acabé la carrera, ya soy ingeniera :D

Maylene Fabro dijo...

Your project is very interesting, good luck!



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