Eficiencia de la turbina eólica: información completa y preguntas frecuentes

Turbina eólica la producción de energía es un campo creciente de generación de electricidad; en 2020, la capacidad total de energía eólica en el mundo es de 743 GW. A medida que las plantas eólicas producen menos contaminación, la demanda de generación de energía eólica está creciendo.

La eficiencia de una turbina eólica depende de muchos factores, como el tipo de turbina, la geometría de la pala, la velocidad del viento disponible, etc. El 59% es la eficiencia máxima que puede alcanzar una turbina eólica. La eficiencia práctica de una turbina eólica varía entre el 30 y el 45%, y puede aumentar hasta el 50% durante los picos de viento.

Si la turbina está funcionando al 100% de eficiencia, la velocidad del viento después de golpear la turbina se vuelve cero, lo cual es imposible.  

eficiencia de la turbina eólica
Crédito de la turbina de viento: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Windmills_D1-D4_(Thornton_Bank).jpg
Crédito de la turbina eólica: https: //commons.wikimedia.org/wiki/File: Wind_turbine.gif

Fórmula de eficiencia de la turbina eólica

El cálculo de la eficiencia es fundamental; la eficiencia ayuda a comparar el rendimiento de diferentes aerogeneradores y la velocidad óptima del viento para lograr la máxima eficiencia.

Coeficiente de potencia es la palabra más común para la eficiencia de la turbina eólica. El Cp se define como,

(1)   \ begin {align *} \ end {} \ mathbf {C_p = \ frac {(Electricidad producida por la tubería)} {(Energía cinética del viento de entrada)}} \ end {align *}

La cantidad de electricidad producida por una turbina eólica se puede calcular a partir de la salida del generador. La siguiente ecuación calcula la energía cinética de entrada,

Dónde,

(2)   \ begin {align *} \ mathbf {KE_ {input} = \ frac {1} {2} \ rho AV ^ 3} \ end {align *}

A es el área cubierta de la turbina eólica, V es la velocidad del viento, ρ es la densidad del aire.

El valor de Cp varía con respecto a la velocidad del viento; por lo tanto, la eficiencia de la turbina eólica varía durante el funcionamiento.

Además, el Cp depende de las partes de la turbina, es decir, las palas de la turbina, los ejes y el generador. Por lo tanto, la multiplicación de la eficiencia aerodinámica de las palas, la eficiencia mecánica del eje y la eficiencia eléctrica del generador proporcionan el valor de Cp.

Máxima eficiencia de la turbina eólica

Albert Betz, un físico alemán, propuso la máxima eficiencia posible de la turbina eólica en 1919. Proporciona información sobre la máxima eficiencia posible de la turbina.

El límite de Betz muestra que el 59.3% es la máxima eficiencia posible de una turbina eólica. Por lo tanto, la eficiencia de la turbina nunca supera el 59%, incluidas todas las demás pérdidas; en casos prácticos, se trata de un valor de 35-45%.  

Supongamos que la eficiencia de una turbina eólica es del 100%, lo que significa que la turbina consume toda la energía del aire. Si sucede, la velocidad del aire después de pasar la turbina se vuelve cero. Eso significa que el aire no fluye, lo que dificulta el flujo de aire adicional. Por tanto, esta es una situación imposible.

Ahora, si la velocidad del aire de entrada y salida es la misma, eso significa que no se extrae energía, lo que le da un 0% de eficiencia a la turbina. Por lo tanto, la eficiencia máxima posible de la turbina se encuentra entre 0 y 100%, excluyendo estos límites.

Betz demostró que la máxima eficiencia posible es del 59.3% para una turbina eólica con matemáticas y física sólida.

Tipos de aerogeneradores y sus eficiencias.

Se dispone de una variedad de aerogeneradores según el eje de rotación y el diseño de las palas. La turbina eólica más utilizada es la turbina eólica de eje horizontal. Sin embargo, también se utilizan otros tipos de turbinas para las condiciones adecuadas. Los diferentes tipos de turbinas son,

Analicemos la eficiencia de estas turbinas por separado,

Eficiencia de la turbina eólica de eje horizontal (HAWT)

Las turbinas eólicas de eje horizontal se utilizan comúnmente para plantas grandes, donde hay suficiente espacio y viento disponible. El eje de rotación de la pala de la turbina es paralelo a la superficie de la tierra.

La eficiencia de HAWT varía entre el 35 y el 50%. Actualmente, HAWT tiene la mayor eficiencia.

La energía eólica capturada por la turbina eólica depende del área cubierta por las palas de la turbina. Para un HAWT, el área se calcula de la siguiente manera,

(3)   \ begin {align *} A = \ pi L ^ 2 \ end {align *}

Donde, L es la longitud de la hoja. La longitud varía entre 20 y 80 metros.

Por lo general, estas turbinas eólicas se utilizan para grandes plantas de producción. La turbina eólica horizontal más común es de 3 palas, y el color de las turbinas suele ser blanco para la visibilidad de los aviones.

Crédito HAWT: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Micon-Turbine.JPG

Eficiencia de la turbina eólica de eje vertical (VAWT)

Las turbinas eólicas de eje vertical se utilizan comúnmente para la pequeña producción de energía donde el espacio es limitado. El eje de rotación de las palas de los aerogeneradores de eje vertical es perpendicular a la superficie de la Tierra.

La eficiencia de VAWT es menor en comparación con HAWT. 

Como se discutió, la eficiencia depende del área de las palas de la turbina expuestas al viento. Para VAWT, el área expuesta es,

(4)   \ begin {align *} A = DH \ end {align *}

Donde D y H son el diámetro y la altura de las palas.

Hay diferentes tipos de VAWT disponibles. La turbina eólica Darrius y la turbina eólica Savonius son VAWT comunes. Las eficiencias de estos dos se analizan a continuación.

Aerogenerador de eje vertical. Crédito: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1f/Vertical_Axis_Wind_Turbine_offshore.gif

Eficiencia de la turbina eólica Darrius

El aerogenerador Darrius es un VAWT.

La eficiencia de la turbina eólica Darrius está entre el 30 y el 40%. El uso de estas turbinas es limitado a pesar de que tienen una alta eficiencia principalmente debido a la incapacidad de arrancar automáticamente.

La turbina Darrius es una turbina de elevación. La figura muestra una turbina eólica Darrius. Como se muestra a continuación, varias palas de perfil aerodinámico están montadas en un eje vertical que gira. Las palas se someten a tensión solo en tensión para estas turbinas debido a la curvatura. El diseño fue desarrollado por el ingeniero francés Georges Jean Marie Darrieus. Estos se usan comúnmente cerca del hábitat humano, en la parte superior de un edificio o en el centro de una carretera. Sin embargo, la protección de la turbina es dura en condiciones extremas.

Turbina eólica Darrius Crédito: https: //commons.wikimedia.org/wiki/File: Darrieus-Rotor_Ennabeuren-3256.jpg

Eficiencia de la turbina eólica Savonius

La turbina eólica Savonius es un tipo diferente de VAWT. Desafortunadamente, la eficiencia de estas turbinas es muy baja.

La eficiencia del aerogenerador Savonius varía entre el 10% y el 17%. Aunque la eficiencia es muy baja, debido a la estructura simple y la confiabilidad de la turbina, estas se utilizan para producir una pequeña cantidad de electricidad en ubicaciones adecuadas.  

La turbina Savonius es una turbina de arrastre. La figura muestra un aerogenerador Savonius real. La vista superior de la hoja también se muestra en la siguiente figura.

Aerogenerador Savonius Crédito: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Savonius_wind_turbine.jpg
Vista superior del aerogenerador Savonius. Crédito: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Savonius-rotor_en.svg

El ingeniero finlandés Sigurd Johannes Savonius desarrolló el viento Savonius en 1922. Hay dos tipos de diseño de palas para turbinas eólicas Savonius, diseño de barril y diseño de viento de hielo. La turbina eólica de barril de vista superior se muestra arriba. Las palas son semicilíndricas; los barriles no se encuentran en el centro; están alejados del centro, lo que permite el movimiento libre del viento en la pala.

Eficiencia de la turbina eólica sin palas

Las turbinas eólicas sin palas son un tipo particular de turbinas eólicas, estas turbinas no tienen palas giratorias y la turbina funciona basándose en la vibración inducida por vórtices.

La eficiencia de una turbina eólica sin palas es muy inferior en comparación con cualquier otra turbina eólica. Sin embargo, el peso ligero, la rentabilidad y el menor mantenimiento son las ventajas de la turbina eólica sin palas. Además, la turbina requiere menos espacio; por lo tanto, se pueden instalar más turbinas que las turbinas eólicas habituales.

Eficiencia de la turbina eólica de Arquímedes

La turbina eólica de Arquímedes es una tecnología desarrollada recientemente. Se trata de pequeñas estructuras que se pueden utilizar en tejados, carreteras, etc.

En comparación con los aerogeneradores convencionales, los aerogeneradores de Arquímedes son más eficientes. Además, la turbina reduce muchos otros problemas relacionados con las turbinas convencionales. 

Por ejemplo, el ruido producido por las turbinas eólicas de Arquímedes es significativamente menor en comparación con la turbina convencional. La forma de la turbina se modela de manera similar a la espiral de un caparazón de Nautilus. Esta forma permite a la turbina autoajustar la cara de la turbina de acuerdo con el flujo del viento. 

Factores que afectan la eficiencia de las turbinas eólicas

La eficiencia de las turbinas eólicas ya se discutió anteriormente, ya que los factores que afectan la eficiencia de la turbina son,

  • La velocidad del viento.
  • La densidad del aire.
  • Radio de la hoja.
  • Tipo de aerogenerador

Comparación de la eficiencia de la turbina eólica

Concluyamos aquí la eficiencia de la turbina eólica. La eficiencia de la turbina eólica se tabula a continuación.

TurbinaEfficiency
Aerogenerador de eje horizontal30-45
Aerogenerador de eje vertical10-40
Aerogenerador Darrius30-40
Aerogenerador Savonius10-17
turbinas de viento sin palasMuy menos

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