Aerogenerador

Un aerogenerador és una màquina que permet transformar l'energia del vent en energia elèctrica. Històricament s'ha aprofitat l'energia del vent per diferents usos, entre els quals cal destacar els molins de vents que eren utilitzats en diferents zones per moldre gra i obtenir farina. A causa del baix preu d'altres fonts d'energia, els molins de vent es van anar abandonant, fins que darrerament la preocupació per medi ambient, i per l'efecte hivernacle han fet augmentar molt l'interès per les energies renovables, recuperant energies pràcticament abandonades com l'energia eòlica.

Parc d'aerogeneradors a Tarifa, Andalusia.

En el cas dels aerogeneradors la força del vent és captada per un rotor, que transforma l'energia cinètica del vent en energia mecànica giratòria de l'eix principal. Mitjançant una caixa d'engranatges, anomenada multiplicador, es transforma la velocitat de l'eix principal a la velocitat de gir adequada pel generador elèctric,[1] habitualment un generador asíncron, que al seu torn transforma l'energia mecànica en energia elèctrica de corrent altern. Com que el vent és molt variable, un dels elements més importants d'aquestes màquines és el control tant de la potència com de les revolucions a què gira el generador, ja que perquè el corrent elèctric generat pels aerogeneradors es pugui aportar a la xarxa és necessari que la seva freqüència estigui perfectament sincronitzada amb la de la xarxa elèctrica que a l'estat espanyol és de 50 Hz.

Potencia eòlicaModifica

L'energia cinètica de l'aire ( ) depèn del quadrat de la velocitat de l'aire ( ) i de la seva densitat ( ):

 , en Juls per cada metre cúbic de aire.

La potencia, en vats por unitat de superfície, es pot expressar com:

 

Per tant, la potencia eòlica a la que estarà exposada una turbina es determina multiplicant l'anterior expressió per l'àrea d'escombrat de la turbina, que es el cercle que abasten les aspes.[2]

Tanmateix, no tota la potencia del aire pot ser aproitada per l'aerogenerador. El límit de potència que es pot extraure està donat pel límit establert pel físic Albert Betz. El límit, que lleva el seu nom, se deriva de la conservació de la massa i del moment d'inèrcia del fluxe d'aire. El límit de Betz indica que una turbina no pot aprofitar mes de un 59.3 % de l'energia cinètica del vent. El número (0.593) se'l coneix como el coeficient de Betz.

Els aerogeneradors moderns obtenen entre un 75 % a un 80 % del límit de Betz.[3] Un dels factors que mes influeix en que no s'arribi al 100 % del límit de Betz és la rugositat del sol, que és influïda per la presència de vegetació o edificacions en el sol, que redueixen la velocitat del vent i augmenten las turbulències de l'aire, per això, una major altura del rotor i la instal·lació en el mar (offshore) contribueixen a un millor aprofitament de l'energia de l'aire.

Tipus d'AerogeneradorsModifica

Eix verticalModifica

Aerogenerador SavoniusModifica

Article principal: Rotor Savonius
 
Esquema d'una turbina Savonius de dues pales.
 
Aerogenerador Savonius

El seu origen data de començaments del segle XX i deuen el seu nom al seu creador l'enginyer finlandès Sigurd J. Savonius. Els generadors del tipus Savonius són d'eix vertical i normalment de baixa potència.[4] Encara que tenen un baix rendiment a causa de la seva simplicitat són molt utilitzats per subministrar energia a aparells molt aïllats i de poc consum. La seva construcció és molt simple consta de dos semicilindres col·locats en forma de S. El seu funcionament també és simple, la part còncava recull la força del vent, mentre que l'altre semicilindre dona la cara convexa que té menys resistència al vent i d'aquesta forma el vent fa girar el rotor i aquest, el generador, que normalment es troba a la part inferior.

Aerogenerador DarrieusModifica

 
Generador del tipus Darrieus.

Els aerogeneradors Darrieus estan basats en el rotor d'eix vertical desenvolupat per l'enginyer francès Georges Darrieus. Aquests rotors presenten la particularitat que no s'engeguen sols. Cal donar-los una velocitat inicial mitjançant un motor o rotors Savonius acoblats. Pel seu aspecte, en els països de parla anglesa se'l coneix per l'eggbeater, és a dir, la batedora.[5]

És un sistema relativament bo, ja que té un elevat rendiment i no necessita cap mecanisme d'orientació. Però encara que és fàcil el manteniment del generador, ja que es troba a la base, la dificultat de construcció i de control davant de grans vents ha fet que la seva construcció pràcticament s'abandonés. El generador Darrieus més gran construït mai es troba a Cap-Chat (Canadà) amb una alçària de 110 m, i una potència de 4 MW; però, una gran ventada l'any 1992 el va avariar i resta al lloc com a monument visitable.[6]

Eix Horitzontal o aerogenerador de PalesModifica

 
Detall del muntatge
 
Detall de les Aspes i Boixa d'un aerogenerador

És el model que s'ha estès més. Consisteix en una hèlix, generalment amb tres pales, unides a un eix horitzontal que transmet l'energia fins a un multiplicador que augmenta les revolucions perquè aquest moviment rotacional pugui ésser aprofitat pel generador i transformat en energia elèctrica.

L'interval de velocitats de vent en què un aerogenerador funciona comença amb l'anomenada velocitat de connexió, que acostuma a ser d'uns 3 m/s i arriba fins a la velocitat de vent màxima o de tall, que acostuma a ser d'uns 24 m/s, a partir de la qual l'aerogenerador s'atura.

La potència màxima d'un aerogenerador normalment s'obté a partir d'una velocitat relativament baixa, sobre els 14 m/s, que seran els vents més habituals a la zona i aquesta potència màxima es manté fins a la velocitat de tall. Amb vents més forts el control de potència orienta les pales amb el vent de forma que l'aerogenerador s'atura amb la mateixa acció del vent, ja que si l'aparell continués girant amb vents més forts es posaria en compromís la seva seguretat. Per aconseguir tot això és molt important el control de potència que es realitza mitjançant l'anomenat control de potència per pas variable.

ElementsModifica

 
Esquema d'una turbina eòlica:
1. Terreny
2. Connexió a la xarxa elèctrica
3. Torre de contenció
4. Escalera d'acces
5. Sistema d'orientació
6. Naveta
7. Generador
8. Anemòmetre
9. Fre
10. Transmissió
11. Àleps
12. Sistema d'inclinació de la pala
13. Boxa

RotorModifica

Normalment està format per tres pales que s'uneixen a l'eix per mitjà de la boixa. És una component fonamental de l'aerogenerador, ja que és l'element encarregat d'extreure l'energia de l'aire. També tenen molta importància els mecanismes situats a la boixa que canvien l'angle de les aspes de l'hèlix en funció de la intensitat del vent, ja que són els encarregats de controlar la velocitat de gir i frenar el rotor en cas de vents excessivament forts que podrien malmetre els elements de l'aerogenerador.

NavetaModifica

És l'element construït d'un material lleuger situat al damunt de la columna i que conté els mecanismes mecànics, elèctrics i de control d'un aerogenerador, d'entre els quals cal destacar:

  • Multiplicador. Per tal que l'energia rotacional obtinguda per l'hèlix es pugui transformar en energia és necessari que tingui un elevat nombre de revolucions, com que seria impossible que les pales giressin a aquestes revolucions, es va idear aquest mecanisme format per una sèrie d'engranatges que augmenta les revolucions fins al règim que necessita el generador.
  • Generador. Es tracta d'un generador elèctric, normalment un alternador.
  • Elements de Frenada. Encara que la regulació de la velocitat de gir de l'hèlix es controla per l'angle de les aspes amb l'eix, també s'incorpora un fre, normalment de disc.
  • Elements de control electrònic.

Evolució i límits dels Aerogeneradors d'Eix Horitzontal (HAWT)Modifica

El multiplicador és una caixa d'engranatges que consta generalment de tres etapes planetàries i d'eixos paral·lels. A partir de principis del segle xxi els aerogeneradors assoleixen potències superiors al megawatt (1000 kW), cosa que s'aconsegueix amb rotors de diàmetres superiors als 70 metres. Atès que la velocitat de punta de la pala queda limitada per problemes aerodinàmics i de soroll, la velocitat de rotació de l'eix principal és per als aerogeneradors moderns cada vegada més lenta. Els generadors asíncrons estàndards tenen tres parells de pols i han de girar a una velocitat constant per produir corrent altern a una freqüència constant, essent per la freqüència usada a Europa de 50 Hz, de 1500 rpm i per als EUA, amb una freqüència de 60 Hz, de 1800 rpm.[7] En conseqüència, la relació del multiplicador és cada vegada més elevada, al voltant de 100 per a màquines de 2MW. Això fa que els multiplicadors incorporin una o dues etapes planetàries, que poden produir relacions més altes.

Aquesta evolució queda significativament desviada amb l'aparició dels aerogeneradors de velocitat variable en els que el sistema de control se serveix d'un convertidor de potència per produir electricitat a 50Hz amb independència, dins d'uns marges, de la velocitat de l'eix del generador.

Control de potència en aerogeneradors d'eix horitzontal (HAWT)Modifica

Un dels elements més importants en aquests generadors és el control de potència, ja que estén parlant de màquines molt grans i lògicament situades en llocs molt exposats a la força del vent. També és important obtenir, del vent, el màxim rendiment possible, per la qual cosa no s'ha d'obtenir la màxima potència que hauria de ser d'uns 14 m/s. Per realitzar aquest control s'han desenvolupat tres sistemes:

Regulació per control de pas
En aquest cas les pales que no estan fixes a l'eix que transmet la força al multiplicador i davant de vents més forts del necessari, aquestes canvien l'angle respecte al vent de tal forma que ofereixen menys resistència al vent i el deixen passar sense oposar cap resistència. Aquest sistema de control comporta la introducció de complexes parts mòbils que augmenten el risc d'errors i requereixen un major manteniment.
Regulació passiva per pèrdua aerodinàmica
En aquest sistema les pales estan fixes a l'eix, però s'ha realitzat un disseny molt acurat de l'aerodinàmica de les pales. El que s'intenta amb el disseny de la pala és aconseguir un perfil de tal forma que en el moment en el vent que incideixi sobre la pala sigui massa gran a la part de la pala situada a sotavent es provoqui una turbulència que vagi augmentant a mesura que augmenta la força del vent que acabi compensant la força del mateix vent. Aquest sistema de regulació precisa d'un bon disseny de les pales, però fa innecessaris parts mòbils al dins de la boixa. Això no obstant, són necessaris dispositius de frens addicionals tals com aerofrens. Actualment dues terceres parts dels aerogeneradors en funcionament porten aquest sistema.
Regulació activa per pèrdua aerodinàmica
És un sistema molt similar al primer, les pales no estan fixes a l'eix i dins de la boixa hi ha mecanismes elèctrics o hidràulics que giren les pales en funció de la força del vent la diferència amb el primer sistema és que la direcció de gir de les pales canvia i en comptes de deixar passar més fàcilment l'aire o fa de manera contrària d'aquesta forma es produeix una pèrdua de sustentació similar al sistema passiu per pèrdua aerodinàmica, amb l'avantatge que al realitzar-se d'una forma activa en tot moment es pot controlar la potència transmesa al generador i augmentar el rendiment. Aquest és el sistema que s'està implantant cada vegada més als aerogeneradors més potents (a partir d'1 Mw).

Impacte ambientalModifica

En comparació amb altres fonts de producció d'energia, les instal·lacions eòliques queden més ben posicionades en relació a les repercussions ambientals, donat que no provoquen la generació de substàncies tòxiques, residus sòlids, pluja àcidao l'emissió de gasos responsables de l'efecte d'hivernacle, a més de d'utilització de recursos.[8]

El desenvolupament dels aerogeneradors s'ha anat aplaçant per les objeccions en relació al seu impacte ambiental i paisatgístic en l'entorn, en relació a les alteracions al medi físic, o les degudes a l'ocupació del territori i la construcció. Per disminuir l'impacte ambiental i aprofitar millor les instal·lacions de transformació i d'evacuació de l'energia elèctrica, els aerogeneradors s'agrupen en els anomenats parcs eòlics, que tenen igualment detractors pel seu impacte paisatgístic.[9]

Impacte en la faunaModifica

El 80% de les aus que viuen a prop d'aerogeneradors tenen risc de morir per xocar contra les aspes,[10] però els animals s'acostumen ràpidament al moviment de les aspes, i les aus migratòries desvien la seva trajectòria.[8] Uns investigadors noruecs de l'Institut Noruec d'Investigació sobre la Naturalesa han descobert que es pot reduir en un 70% el risc de mort d'aquestes aus si es pinta una aspa de color negre dels aerogeneradors,[11] i pintar patrons visuals concèntrics en forma d'ulls aprop de la base pot reduir el nombre d'ocells aprop dels aerogeneradors.[12]

ReferènciesModifica

  1. «The Power of Wind» (en anglès). Office of Energy Efficiency & Renewable Energy. [Consulta: 29 agost 2021].
  2. «Componentes de Turbinas Eólicas». Arxivat de l'original el 2014-01-11. [Consulta: 14 octubre 2021].
  3. «Còpia arxivada». Arxivat de l'original el 2017-03-29. [Consulta: 14 octubre 2021].
  4. Víctor Navarro Brotons. Actes de les II Trobades D'Història de la Ciència I de la Tècnica: (Peníscola, 5-8 Desembre 1992). Institut d'Estudis Catalans, 1993, p. 296–. ISBN 978-84-7283-250-3 [Consulta: 3 desembre 2012]. 
  5. Freundlich, Naoum J. «Texas-sized eggbeater» (en anglès). Popular Science, 229, 2, Agost 1986, pàg. 59 [Consulta: 6 octubre 2021].
  6. «La réservation des activités d’Éole Cap-Chat» (en francès). Eole Cap Chat. [Consulta: 6 octubre 2021].
  7. Hau, Erich. Wind turbines: fundamentals, technologies, application, economics (en anglès). Birkhäuser, 2006, p.321. ISBN 3540242406. 
  8. 8,0 8,1 «Energia eòlica». COAC. [Consulta: 6 octubre 2021].
  9. Bosch, Inma. «El parc eòlic marí no convenç les institucions del territori» (en anglès). El Punt Avui, 18-06-2021. [Consulta: 6 octubre 2021].
  10. «SEO Birdlife - Sociedad Española de Ornitología» (en castellà). [Consulta: 16 març 2021].
  11. May, Roel; Nygård, Torgeir; Falkdalen, Ulla; Åström, Jens; Hamre, Øyvind «Paint it black: Efficacy of increased wind turbine rotor blade visibility to reduce avian fatalities» (en anglès). Ecology and Evolution, 10, 16, 2020, pàg. 8927–8935. DOI: 10.1002/ece3.6592. ISSN: 2045-7758. PMC: PMC7452767. PMID: 32884668.
  12. Ariz, Miguel. «Colocan ojos a los aerogeneradores para alejar a las aves» (en castellà). Deia, 13-10-2021. [Consulta: 14 octubre 2021].

Vegeu tambéModifica

Enllaços externsModifica

Empreses especialitzades