ONI - 2004 - EPET Nª1 Caucete, San Juan

 

 
 

3.5. Modernos molinos de viento 
 

Los molinos más modernos se han ido construyendo de metal liviano (algunos son de chapa de acero galvanizada), o con las aspas formadas con listones de madera que pueden abrirse con los bordes al viento. Las grandes aspas se han ido reemplazando por un número mayor de paletas dispuestas en forma de rueda, y el árbol, en que están montadas posee una cola de orientación, siendo ubicadas de modo que puedan girar a una velocidad 2,5 veces superior a la del viento. 

Los modernos molinos de viento se mueven por dos procedimientos: el arrastre, en el que el viento empuja las aspas, y la elevación, en el que las aspas se mueven de un modo parecido a las alas de un avión a través de una corriente de aire. Las molinos que funcionan por elevación giran a más velocidad y son, por su diseño, más eficaces. 

Los elementos básicos componentes del molino son el rotor, los mecanismos de control y orientación y la estructura de soporte. 

Características de los molinos de viento

 

3.5.1. Rotor y mecanismos de control y orientación

 

El rotor es el aparato exterior del molino de viento, cuya función es transformar la energía eólica, en un movimiento rotatorio, compuesto de elementos denominados aspas, palas o hélices.

 

Las palas se construyen generalmente para los molinos convencionales en chapa metálica, pero en modelos de tamaño elevado se utilizan preferentemente resinas plásticas y fibras sintéticas, de bajo peso, de formas aerodinámicas, gran resistencia mecánica y a los agentes climáticos.

El rotor es la pieza fundamental en la captación de la energía eólica siendo uno de los problemas fundamentales de su diseño, la prevención de la acción de los fuertes vientos. Por ello se han desarrollado diversos modelos que permiten proteger los rotores, como por ejemplo variación de la inclinación de las aspas, giro del rotor de modo de disminuir la intensidad máxima del viento, y especialmente la utilización de frenos generalmente de disco, que accionan automáticamente cuando la velocidad del rotor es muy elevada. 

De esa manera se tiende a evitar y prevenir esfuerzos excesivos, altas vibraciones e incluso la rotura, como resultado de los vientos muy intensos. Además las palas deben ser adecuadamente calibradas a fin de evitar ruidos y vibraciones que pueden afectar la estructura de soporte. 

Según la posición del eje, los rotores pueden clasificarse en rotores de eje horizontal, donde el eje principal están paralelo al suelo y en rotores de eje vertical, con el eje perpendicular al suelo. 

 

Rotores de eje horizontal: Los rotores de eje horizontal se clasifican según su emplazamiento en: 

 

1.- Rotor a sotavento: Los rotores a sotavento son aquellos en que el viento actúa desde atrás. Estos rotores tienen la ventaja de la auto orientación, debido al efecto que provoca el cono que describen las palas al rotar. 

Así se utilizan aeroturbinas con sistemas aerodinámicos muy estudiados y precisos, con pequeño número de palas, en la que se pueden lograr altas velocidades de giro.

 

2.- Rotor a barlovento: Los rotores a barlovento son los que reciben el viento de frente y necesitan un sistema independiente de orientación. Si el molino es de reducidas dimensiones basta una cola que actúa como veleta la que se desplaza impulsada por la dirección del viento. Dicha veleta es una pieza de metal de forma aerodinámica, que se coloca junto al rotor, de modo de orientarlo contra el viento incidente, mediante el giro sobre un eje vertical. 

En los molinos de mayores dimensiones, se utilizan hélices auxiliares perpendiculares a la principal, que mueve el conjunto cuando varía la dirección del viento. 

En grandes molinos se acoplan servomecanismos controlados por microprocesadores que orientan el rotor en función de los datos registrados por una pequeña veleta sensora. 

 

Rotores de eje vertical 

En la figura se muestra un rotor de eje vertical consistente en dos palas curvadas longitudinalmente, que constituye un modelo entre la infinidad que se fabrican. 

En general la velocidad de giro de estos rotores es menor que los de eje horizontal, requiriéndose entonces sistemas de engranaje de mayor multiplicación para aumentar la misma. 

Sin embargo, tienen la ventaja de que no necesitan dispositivos de orientación en función de la dirección del viento, por lo que se simplifica su construcción. 

Entre las máquinas de eje vertical más usuales destacan las Savonius, cuyo nombre proviene de sus diseñadores, y que se emplean sobre todo para bombeo; y las Darrieus, una máquina de alta velocidad que se asemeja a una batidora de huevos. 

Rotor de eje vertical

 

3.5.2. Estructura de soporte

La estructura de soporte generalmente es metálica, debiendo diseñarse especialmente para soportar la acción del viento más desfavorable, siendo sustentada por bases de hormigón. 

Deben contar con elementos de acceso para mantenimiento del rotor, de los distintos elementos y de la propia estructura. 

Es conveniente que las torres de montaje estén instalados por lo menos a 6 metros por arriba de obstáculos en 100 mts. a la redonda para evitar turbulencias. No se recomienda colocar generadores eólicos en los techos, salvo los de pequeña potencia (hasta 500 watts). Los grandes pueden causar serios daños al edificio.

   
 

TORRES RETICULADAS de Acero, no usan riendas. De perfilería metálica. De base triangular ó cuadrangular ancladas en hormigón.

 

CAÑOS DE ACERO CON O SIN RIENDAS . Son de poco diámetro 15 cm. Para una altura de hasta 6 mts. luego se le colocan riendas. Son fáciles de instalar. Es conveniente que tengan un sistema para subir en caso de mantenimiento y desarme. El cableado se ejecuta previamente.

     
 

TORRES TIPO ANTENA con riendas, son mas económicas limitando su aplicación a Aerogeneradores de no más de 10 KW

 

MONO COLUMNAS de Acero, necesitan una base de hormigón, no precisan riendas de acero. Pueden ser instaladas en pequeños espacios. Permite una persona ingresar por ella y subir hasta el alternador.

3.5.3. Aplicaciones prácticas

 

Como se mencionó anteriormente los molinos de viento se utilizan en la actualidad para el bombeo de agua, especialmente en zonas rurales, y para la generación de electricidad. 

 

3.5.3.1. Bombeo de agua

 

Una bombeadora de agua es un molino con un elevado momento de torsión y de baja velocidad, se usan con mayor frecuencia en las regiones rurales. Las bombeadoras de agua se emplean sobre todo para drenar agua del subsuelo. Estas máquinas se valen de una pieza rotatoria, cuyo diámetro suele oscilar entre 2 y 5 m, con varias aspas oblicuas que parten de un eje horizontal. La pieza rotatoria se instala sobre una torre lo bastante alta como para alcanzar el viento. Una larga veleta en forma de timón dirige la rueda hacia el viento. La rueda hace girar los engranajes que activan una bomba de pistón. Cuando los vientos soplan en exceso, unos mecanismos de seguridad detienen de forma automática la pieza rotatoria para evitar daños en el mecanismo. 

Para el bombeo de agua mediante la energía eólica, pueden emplearse dos formas básicas:

  • Bombeo mecánico

  • Bombeo eléctrico

Bombeo mecánico del agua 

Una de las formas para el bombeo del agua en forma mecánica, consiste en la utilización de una bomba a pistón, que provoca la aspiración en la tubería sumergida y la expulsión hacia un depósito de acumulación, tal como se muestra en forma esquemática en la figura. 

Es necesario para lograr este objetivo, conectar la bomba a un dispositivo o engranaje diseñado especialmente. 

En general es preferible que el bombeo se efectúe en forma lenta, a fin de reducir al mínimo la resistencia a la circulación del agua por las cañerías. 

Por ello en la aplicación mecánica de los sistemas eólicos para bombear el agua, no se requiere una velocidad de giro del rotor elevada, debiendo contar, sin embargo, con un alto par de arranque, para vencer la inercia del equipo. 

Los molinos tipo multipalas convencionales, cumplen con estas condiciones contando con un alto par de arranque. 

 

Como elemento referencial se consigna en el cuadro siguiente la capacidad de un molino de viento para elevación del agua a distintas alturas, considerando un viento tipo de 26 km por hora.

 

CAPACIDAD DE MOLINOS DE VIENTO PARA ELEVACIÓN DE AGUA

Diámetro (m)

Veloc. Viento (km /h)

Revoluc. por min.

l/min. de agua elevados a una altura de m

7,5

15

22,5

30

45

60

2,6

26

45

23

11

...

...

...

...

3

26

40

72

36

25

18

...

...

3,6

26

35

128

68

45

32

22

 

4,3

26

30

171

85

60

43

30

19

4,9

26

25

245

120

74

61

37

31

5,5

26

23

370

197

123

92

66

46

6,1

26

21

473

241

154

118

73

60

7,6

26

17

804

405

271

188

141

101

 

Bombeo eléctrico del agua 

 

Para el bombeo del agua se emplea una bomba eléctrica, cuyo motor se conecta a los terminales del generador eólico o a los polos de la batería acumuladora en caso de utilizarse. 

 

3.5.3.2. Generación de electricidad

Los generadores de turbina de viento tienen varios componentes. El rotor convierte la fuerza del viento en energía rotatoria del eje, una caja de engranajes aumenta la velocidad y un generador transforma la energía del eje en energía eléctrica. En algunas máquinas de eje horizontal la velocidad de las aspas puede ajustarse y regularse durante su funcionamiento normal, así como cerrarse en caso de viento excesivo. Otras emplean un freno aerodinámico que con vientos fuertes reduce automáticamente la energía producida. 

 

En la parte superior se instala junto al rotor una caja especial de metal o fibra de vidrio, en la cual se colocan los elementos de seguridad y control, el sistema de regulación de la cola o veleta, la caja de velocidades y el generador propiamente dicho, montado sobre un sistema giratorio. 

Partes principales de un generador eólico

 

La unidad de control debe asegurar una óptima utilización de la potencia del viento sea cual fuere su velocidad, a fin de evitar sobrecargas. Así, la unidad de control comanda por medio de impulsos el sistema de maniobra, por ejemplo mediante un sistema hidráulico, que regula la orientación del rotor, cuando se alcanza la potencia máxima del generador. 

Las máquinas modernas comienzan a funcionar cuando el viento alcanza una velocidad de unos 19 km/h, logran su máximo rendimiento con vientos entre 40 y 48 km/h y dejan de funcionar cuando los vientos alcanzan los 100 km/h. Los lugares ideales para la instalación de los generadores de turbinas son aquellos en los que el promedio anual de la velocidad del viento es de cuando menos 21 km/h. 

 

Potencia eléctrica 

La potencia de un aerogenerador depende de: 

§ Velocidad de giro y longitud de las palas del rotor 

§ Dimensión de las bobinas del generador

 

El número de palas del rotor no influye en la potencia suministrada. 

 

Debido al costo de las bobinas para aumentar la potencia eléctrica obtenida conviene incrementar la velocidad del giro para lo cual se emplea una caja de velocidades, cuya función es la de multiplicar la velocidad de rotación del rotor para llevarla a valores adecuados al funcionamiento del generador. 

Para lograr la potencia mecánica necesaria es conveniente aumentar la longitud de las palas, pero ello debe limitarse, dado que recurrir a rotores de grandes dimensiones implica originar problemas de sustentación y aumentos de costos de fabricación. 

 

Por ello, en el caso de centrales eólicas eléctricas cuya misión es la de proporcionar energía eléctrica de la potencia necesaria para un pueblo o ciudad, no suelen emplearse molinos de gran magnitud, sino que se instalan una serie de aerogeneradores de mediana potencia trabajando en forma conjunta, abasteciendo a una estación transformadora común. 

 

Los ensayos demuestran que la máxima potencia que se ha podido extraer, es de aproximadamente el 60 % de la energía del flujo del viento aplicada sobre el rotor. 

En el gráfico de la figura se consigna como referencia la potencia originada por un equipo aerogenerador con rotor multipalas, en función de la velocidad del viento. 

Se observa que en general ya con una pequeña incidencia del viento es posible generar energía eléctrica, lo que se incrementa a medida que la misma va en aumento. 

 

Los científicos calculan que hasta un 10% de la electricidad mundial se podría obtener de generadores de energía eólica a mediados del siglo XXI.

Gráfico de relación potencia-velocidad del viento