Acerca de este experimento
Las palas de un aerogenerador moderno son más largas que el ancho de un campo de fútbol, y uno solo puede suministrar electricidad a miles de hogares. La cantidad que produce depende de tres cosas: la velocidad del viento, el tamaño de las palas y el ángulo con que se orientan hacia el viento. Si se duplica la velocidad del viento, la potencia se multiplica por ocho. Cambia la velocidad del viento, la longitud de las palas y su ángulo; observa el rotor y la curva de potencia, y descubre por qué ningún aerogenerador puede captar toda la energía del viento.
Objetivos de aprendizaje
- Describe las transferencias de energía en un aerogenerador, desde la energía cinética del aire hasta la energía eléctrica.
- Explica por qué la potencia depende del cubo de la velocidad del viento y del área barrida
- Usa la curva de potencia para describir las velocidades de arranque, nominal y de corte del viento
- Explica cómo cambia la potencia captada con el ángulo de las palas y por qué las turbinas orientan sus palas para ofrecer menos resistencia al viento durante las tormentas
- Enuncia el límite de Betz y explica por qué una turbina no puede captar toda la potencia del viento
Cómo usarlo
- 1Ajusta el viento a 4 m/s y luego a 8 m/s. ¿Cuántas veces más potencia se produce? Prueba con 6 m/s y 12 m/s.
- 2Mantén el viento a 8 m/s y reduce a la mitad la longitud de las palas, de 40 m a 20 m. ¿Por qué factor cambia la potencia?
- 3Aumenta gradualmente el ángulo de las palas a 8 m/s. ¿Qué ocurre con Cp y con la potencia?
- 4Cambia la velocidad del viento de 0 a 30 m/s y sigue el punto en la curva de potencia. Describe las cuatro partes de la curva.
- 5Compara Cp con el límite de Betz. ¿Puedes encontrar alguna configuración que lo supere?
- 6Observa la velocidad en la punta de las palas. ¿Por qué la limitan los ingenieros, aunque girar más rápido podría captar más potencia?
El modelo
Supuestos
- La densidad del aire es de 1,225 kg/m³, a nivel del mar y a 15 °C. El viento es constante y tiene la misma velocidad en todo el rotor.
- Cp(λ, β) es el ajuste empírico para una turbina genérica de tres palas, utilizado en muchos libros de texto; alcanza un máximo de aproximadamente 0,48. Las turbinas reales tienen sus propias curvas medidas.
- El rotor funciona con la relación de velocidad de punta óptima para el ángulo de pala elegido, pero la punta nunca supera los 85 m/s.
- El generador está clasificado para 400 W por metro cuadrado de área barrida. La velocidad de arranque es de 3 m/s y la de corte, de 25 m/s. Se ignoran las pérdidas eléctricas.
- Las turbinas reales también cambian automáticamente el ángulo de las palas para mantener la potencia nominal cuando hay vientos fuertes; aquí lo ajustas tú.
Pruébalo en clase
- Q1Una turbina produce 500 kW a 6 m/s. Estima su potencia a 9 m/s, por debajo de la potencia nominal.
- Q2¿Por qué se construyen las turbinas modernas con palas más largas y torres más altas?
- Q3La velocidad media del viento en un emplazamiento es de 7 m/s. ¿Por qué la potencia media es mayor que la potencia a 7 m/s?
- Q4Explica en términos de energía por qué el aire debe seguir moviéndose después de pasar por la turbina.
- Q5Indica dos ventajas y dos desventajas de la energía eólica frente a una central eléctrica de gas.
Preguntas frecuentes
¿De dónde procede el límite de Betz?
Si la turbina detuviera por completo el aire, no podría pasar aire nuevo a través de ella. Si no frenara el aire en absoluto, no extraería energía. En 1919, Albert Betz demostró que el mejor equilibrio consiste en reducir la velocidad del viento detrás del rotor a un tercio de su velocidad original y capturar 16/27 de la potencia.
¿Por qué las turbinas suelen tener tres palas?
Tres palas proporcionan un rotor uniforme y equilibrado que funciona silenciosamente a una velocidad moderada. Dos palas son más baratas, pero oscilan más; más de tres aumentan el coste y el peso y apenas aportan potencia adicional.
¿Qué es el factor de capacidad?
Es la energía que una turbina produce realmente en un año dividida por la que produciría si funcionara a plena potencia durante todo el año. Como el viento varía, las turbinas terrestres suelen alcanzar entre el 25 y el 35 por ciento, y las marinas, entre el 40 y el 50 por ciento.