Energía Eólica

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Energía Eólica

La extracción de energía cinética del viento y su conversión en un tipo de energía útil: térmica, mecánica o eléctrica. El uso de la energía eólica por parte de diversos dispositivos para propulsar barcos, bombear agua, moler granos y realizar otras tareas que requieren mucha energía existe desde los primeros egipcios. Los siglos XIX y XX trajeron los combustibles fósiles y los motores de combustibles fósiles, y el viento tuvo un papel menor como fuente de conversión de energía. Sólo desde el embargo de petróleo de 1973 se redescubrió el viento y empezó a emerger como una importante fuente de energía. Los avances en la fabricación de grandes estructuras aerodinámicas, los materiales compuestos, la aerodinámica computacional y el diseño y control de las máquinas han producido sistemas de energía eólica más grandes, más ligeros y más eficientes y fiables que nunca. La energía eólica representa un porcentaje cada vez mayor de las redes eléctricas de países de todo el mundo. Véase también: Generación de energía eléctrica; Fuentes de energía; Viento

La creciente preocupación por el dióxido de carbono (CO2), el calentamiento global y la fluctuación de los precios de los combustibles fósiles hacen que la energía eólica sea muy atractiva. Sus principales ventajas son el coste cero del combustible, el suministro no agotable y el mínimo impacto ambiental. Además, los sistemas eólicos están formados por componentes que pueden instalarse rápidamente, lo que supondrá beneficios en cuanto a costes por las futuras mejoras de fabricación y el aumento del volumen. El principal motor del desarrollo actual de la energía eléctrica eólica es el moderno aerogenerador. Véase también: Cambio climático global; Turbina

Configuraciones y componentes de las turbinas

A lo largo del tiempo, se han utilizado muchos dispositivos de conversión de energía eólica diferentes, la mayoría de los cuales se dividen en dos clases -horizontal o vertical- en función del eje de rotación del rotor de palas. Entre ellos, el sistema horizontal de tres palas es la configuración preferida por los grandes productores de energía eólica. Se trata de un sistema de ceñida con el plano del rotor delante de la torre y un sistema de guiñada para mantener el rotor en el viento. La velocidad de rotación del rotor suele ser de 20 a 50 rpm, y debe ser aumentada hasta 1.000-3.000 rpm para satisfacer los requisitos del generador eléctrico. Véase también: Generador

Inmediatamente detrás del buje del rotor hay una carcasa (la góndola) que alberga el tren motriz y los componentes de control. El tren motriz consta de un eje de baja velocidad que conecta el rotor a una caja de cambios de dos o tres etapas, seguido de un eje de alta velocidad conectado al generador. Además, hay numerosos controles a bordo que pueden cambiar la orientación (o el paso) de las palas del rotor, controlar la guiñada, el tren motriz y los componentes de potencia, y frenar el rotor en posibles situaciones de desbordamiento, como vientos fuertes y cortes de la red eléctrica.

Los aerogeneradores son dispositivos que convierten la energía cinética del viento en energía mecánica del eje del rotor para producir energía eléctrica a través de un generador eléctrico incorporado. La cantidad de energía eólica capturada en este proceso es directamente proporcional al producto del caudal másico y la energía cinética del viento que se mueve a través del área del rotor barrido. Los primeros estudios de A. Betz sobre flujos de corriente ideales y convertidores de energía eólica indican un Cp máximo posible de 0,593. Aunque el análisis de Betz está demasiado simplificado, ofrece un marco para analizar los niveles de conversión de los sistemas reales, donde las predicciones de Cp son más complejas. Véase también: Energía

La ecuación indica que la potencia eólica aumenta directamente con el área de barrido de la turbina A, o el cuadrado del radio del rotor. Por esta razón, la longitud de las palas del rotor sigue aumentando con el tiempo.Entre las Líneas En 1999, las longitudes máximas de las palas eran de unos 20 m; ahora se acercan a los 90 m, con palas de 100-120 m en el horizonte. Además, el efecto cúbico de la velocidad del viento en la ecuación es crítico en la ubicación de los parques eólicos, ya que incluso un 10% de ventaja de un sitio sobre otro en la velocidad del viento representa una ventaja del 33% en la energía eólica.

Efectos aerodinámicos

Un aerogenerador tiene muchos elementos funcionales, pero ninguno es más importante que el rotor y su capacidad para convertir la máxima cantidad de energía eólica disponible, maximizando el Cp. Este es el ámbito de la aerodinámica de las palas de la turbina. Véase también: Aerodinámica

A medida que el viento se mueve sobre la pala en rotación, la pala experimenta (1) una fuerza de arrastre viscosa a lo largo del ángulo de ataque y (2) una fuerza de sustentación perpendicular que surge de las diferencias de presión inducidas por el flujo a través de las superficies de barlovento y de sotavento de la pala. La fuerza de sustentación tiene un componente positivo en la dirección de rotación y es lo suficientemente grande como para superar el componente negativo de la fuerza de arrastre en esta dirección. La diferencia de estos componentes es lo que impulsa la rotación de la pala y proporciona el par que, en última instancia, impulsa el generador eléctrico. Véase también: Fuerza aerodinámica; Par

El análisis de estos efectos aerodinámicos en las palas del rotor de la turbina es el núcleo del diseño del rotor de la turbina y, en última instancia, conduce a la caracterización del rendimiento del rotor en términos del coeficiente de potencia Cp. Los rotores horizontales de las turbinas actuales tienen valores de Cp cercanos a 0,5 en comparación con el valor ideal de Betz de 0,583.Entre las Líneas En general, los coeficientes de potencia elevados se asocian a diseños de palas con una elevada relación de sustentación y arrastre y a diseños que minimizan los efectos negativos de la estela del vórtice de punta.

Rendimiento y funcionamiento de la turbina

Debido al efecto cúbico de la velocidad del viento en la conversión de la potencia (véase la ecuación de conversión anterior), las velocidades del viento suelen producir entradas de potencia en el rotor superiores a la capacidad nominal del generador de la turbina. Para evitarlo, los aerogeneradores modernos disponen de actuadores controlados para ajustar el paso de las palas y cambiar el ángulo de ataque, lo que ajusta las entradas de potencia del eje.

Por debajo de la velocidad de conexión, el par motor es insuficiente para accionar el generador. Por encima de la velocidad de desconexión, las cargas de viento podrían dañar los componentes de la turbina. Entre la velocidad de conexión y la velocidad nominal, la curva sigue la ecuación de conversión; por encima de la velocidad nominal, los actuadores de paso son operables y mantienen la potencia constante.

Cargas y fatiga de las palas de la turbina

Durante la rotación, las cargas cíclicas sobre las palas de la turbina se derivan de varios efectos.Entre las Líneas En primer lugar, debido a los efectos de cizallamiento del suelo, la velocidad del viento aumenta con la altura. Para las alturas de las turbinas y los tamaños de los rotores actuales, esto puede significar una diferencia del 20-30% en la velocidad del viento desde la parte superior del rotor hasta su parte inferior. Las correspondientes diferencias de fuerza de arrastre y sustentación serían aún mayores debido a su dependencia no lineal y de alto exponente de potencia de Vr. Se trataría de cargas cíclicas con frecuencias de ω. Las cargas cíclicas de frecuencia similar también surgen de las estelas estacionarias y de proa de la torre, así como de los efectos gravitatorios que causan momentos de flexión cíclicos en las palas.

Cualquier fluctuación en la velocidad media del viento o las ráfagas turbulentas y los vórtices expondrán a las palas a un espectro de cargas y frecuencias. Cuando se combinan, todos estos efectos causan cargas dinámicas de flexión axial y torsión, que actúan simultáneamente sobre las palas, y las frecuencias pueden ser mucho más amplias que simplemente ω.Entre las Líneas En un periodo de 20 años con 4000 h de funcionamiento al año, las cargas cíclicas ω por sí solas expondrían las palas de la turbina a unos 108 ciclos de carga.

La exposición de los elementos materiales a tales cargas cíclicas durante largos períodos y ciclos de carga puede provocar la fatiga del material y su eventual fallo, si las cargas y los ciclos de carga son lo suficientemente grandes. El mecanismo de fallo implica la formación de microfisuras en zonas de concentración de tensiones que crecen hasta convertirse en macrofisuras, que finalmente conducen a superficies de fractura y al fallo del material.

Históricamente, el fallo por fatiga de las palas de la turbina ha sido el principal modo de fallo de los sistemas de turbinas eólicas. Estos fallos pueden deberse a diseños defectuosos (concentraciones de tensión excesivas en zonas que no están suficientemente reforzadas) o a defectos de fabricación y manipulación, incluidos los creados durante el transporte y la instalación a larga distancia. Incluso las pequeñas “magulladuras” del material, que no son fáciles de detectar visualmente, pueden ser el origen de un fallo prematuro por fatiga.

Materiales de los álabes de las turbinas

Los álabes de las turbinas son similares a las alas de las aeronaves, con una carcasa aerodinámica y estructuras de soporte internas, que incluyen largueros longitudinales y otros elementos de soporte (incluidos los refuerzos transversales y las costillas) en las zonas de tensión crítica. Los largueros suelen ser configuraciones especiales de vigas en I, canales (véase qué es, su definición, o concepto, y su significado como “canals” en el contexto anglosajón, en inglés) o bandas en forma de caja que abarcan el vacío entre las superficies superior e inferior de la carcasa de la pala.

Los materiales de la carcasa de las palas son compuestos avanzados de fibra de vidrio, con polímeros termoestables de epoxi, poliéster o viniléster como matriz continua. Además, se adhieren a la carcasa láminas de sándwich de materiales compuestos de alta relación resistencia-peso, con fibra de vidrio y fibras de carbono de alta resistencia, en zonas de alta tensión y, a menudo, entre la carcasa y las superficies de los largueros. A menudo se utilizan espumas de poliuretano en estas secciones de sándwich para reducir el peso y, en algunos casos, para rellenar gran parte del núcleo del avión. Véase también: Materiales compuestos; Resinas de poliéster; Resinas de poliéter; Resinas de poliuretano

Las carcasas y los largueros de las palas de las turbinas se fabrican mediante procesos de revestimiento y moldeo a gran escala. A menudo, los largueros se someten a un proceso de revestimiento por rotación, como en la figura 6a.Entre las Líneas En este caso, las fibras y las esteras de fibra o las láminas de tela de fibra se impregnan con el termoestable líquido, se hilan sobre el larguero y se calientan para curar el termoestable. Este proceso es muy eficaz y produce elementos muy resistentes.

Las carcasas de las palas se moldean normalmente en cavidades superiores e inferiores, colocando primero las esteras de fibra de vidrio o los preimpregnados. Se utilizan varios métodos para aplicar el termoestable, algunos de los cuales implican un trazado y recubrimiento manual repetitivo y otros que utilizan el vacío u otros métodos, en los que el termoestable líquido se infunde en el molde y en las esteras de fibra. A continuación se produce el curado térmico, que da lugar a las carcasas rígidas. El larguero y las láminas de sándwich se pegan en su lugar para completar la pala. Dado que las superficies de unión suelen ser los lugares donde se producen fallos por fatiga, algunos fabricantes evitan esta unión de dos carcasas mediante la infusión del termoestable en un molde de carcasa de una sola pieza. El reto de esto último es evitar la infusión incompleta del termoestable.

Los pasos de colocación y unión se suelen hacer a mano, por lo que siempre son susceptibles de problemas de control de calidad y defectos asociados. Incluso en los procesos de infusión al vacío, pueden producirse vacíos debido a una infusión incompleta o a un curado no uniforme debido a las reacciones exotérmicas de los termoestables. Estos defectos a menudo no se detectan antes de que las palas salgan de la planta y pueden comprometer la pala con el tiempo bajo carga dinámica. Estas incidencias indican la necesidad de mejorar continuamente los diseños y los procesos de fabricación asociados.

Datos verificados por: Thompson

A continuación se examinará el significado.

¿Cómo se define? Concepto de Energía eólica

Véase la definición de Energía eólica en el diccionario.

Perspectivas: los suministros de energía de la Tierra para la vida

Así, el oxígeno libre aumentó con el primer aumento masivo de plantas terrestres como producto de desecho de su fotosíntesis que dividió el agua y el dióxido de carbono para generar el carbono e hidrógeno necesarios para producir carbohidratos reducidos como los azúcares. Para todas las plantas y animales y microbios existentes en la Tierra, este oxígeno libre, en sí mismo extremadamente reactivo, fue inicialmente una grave amenaza tóxica, un contaminante extendido y peligroso. Algunos dicen que la evolución de las plantas verdes liberadoras de oxígeno fue el mayor impacto ambiental que la Tierra ha enfrentado jamás. Algunos argumentan que las mitocondrias evolucionaron inicialmente (o como dijimos anteriormente “capturadas”) para secuestrar el peligroso oxígeno antes de que destruyera otras partes del organismo, y solo más tarde desarrollaron la capacidad de aumentar la actividad metabólica de la célula huésped. Con el tiempo, la selección natural creó organismos (incluidos los humanos) con pieles protectoras que requieren oxígeno para vivir y utilizar completamente su alimento.Si, Pero: Pero incluso hoy en día hay muchos entornos en los que el oxígeno no está presente. Normalmente son obvios para nosotros por su olor a sulfuro de hidrógeno, característico, por ejemplo, del barro de un pantano o del interior de nuestros intestinos, que no sería un buen lugar para tener oxígeno porque entonces la energía de nuestros alimentos se agotaría antes de que nos sirviera de algo! En estos ambientes el oxígeno sigue siendo un veneno para muchos de los organismos.

Por lo tanto, parece que la evolución ha operado de muchas formas complejas, como la incorporación de orgánulos que utilizan oxígeno (es decir, las mitocondrias) en todos los animales que viven en un entorno rico en oxígeno, para obtener medios de utilizar la energía de forma más potente. Aparentemente las principales formas de hacerlo se elaboraron hace mucho tiempo en la evolución de la vida, ya que casi toda la vida tiene las mismas estructuras energéticas internas y utiliza la misma química básica basada en el fósforo para el almacenamiento y la liberación rápida. El bioquímico Paul Falkowski hace un elegante argumento de que en muchos sentidos la bioquímica de la que depende la vida ahora es inapropiada para nuestro actual entorno oxidado. Sólo puede entenderse como un “remanente” del pasado anaeróbico de la vida, es decir, los mecanismos anaeróbicos que funcionaban en el pasado estaban demasiado arraigados en los procesos de la vida como para que ésta los abandonara, por lo que se conservaban y modificaban aunque no fueran perfectamente adecuados para el nuevo entorno aeróbico. Aunque la oxidación completa de los alimentos mediante la utilización de las mitocondrias permite el uso más completo de los alimentos, han evolucionado muchos enfoques diferentes para la utilización de la energía alimentaria, y estas diferentes vías siguen siendo utilizadas de forma variada por diferentes especies y en respuesta a diferentes condiciones ambientales. Si no hay oxígeno, todavía se puede utilizar el proceso de liberación de energía menos minucioso pero bastante adecuado llamado fermentación, y este proceso genera residuos alcohólicos de energía intermedia que hemos explotado para generar cerveza y vino. La transformación parcial del grano o fruta en energía utilizable deja como residuos alcohol y CO2, que genera las burbujas de la cerveza.

Una perspectiva más general es que la energía pasa a través y entre los organismos en una serie de complejas reacciones redox (reductoras-oxidantes), hasta que se extrae todo el valor de los alimentos y parte o toda la base de carbono se convierte en CO2. La energía pasa de un organismo a otro a través de un ecosistema a lo largo de las cadenas alimentarias y las redes alimentarias. Las plantas capturan la energía del sol y convierten una parte de ella en sus propios tejidos, hojas, tallos, raíces, etc. Luego, parte de esa energía pasa a los herbívoros (comedores de plantas) y luego a los carnívoros (comedores de carne) y a los descomponedores. La palabra trófica significa alimento, y la dinámica trófica es el estudio dentro de la ecología de cómo la energía se transmite a lo largo de las cadenas alimenticias dentro de un ecosistema y lo que sucede con esa energía. Una cosa importante que sucede es que la energía se pierde (en realidad se convierte en calor) en cada paso como lo requiere la segunda ley de la termodinámica. La mayor parte de la energía que se pierde fue utilizada por el propio organismo para su propio metabolismo de mantenimiento. Esto se debe a la necesidad de cada organismo de “combatir la entropía” mediante inversiones de energía, y a las pérdidas necesarias de calor derivadas de la segunda ley de la termodinámica. Por lo general, solo una pequeña proporción, muy aproximadamente el 10%, pasa de un nivel trófico (como las plantas) al siguiente (herbívoros). Esta es una razón por la que hay pocos carnívoros superiores, si hay cuatro o más niveles tróficos, cada uno de los cuales pasa solo el 10% de la energía, entonces solo una cantidad muy pequeña de la energía original capturada por la fotosíntesis llega al carnívoro superior.

Basado en la experiencia de varios autores, mis opiniones, perspectivas y recomendaciones se expresarán a continuación (o en otros lugares de esta plataforma, respecto a las características en 2026 o antes, y el futuro de esta cuestión):

Si bien es obvio que un organismo debe obtener suficiente cantidad de energía para mantenerse, también es necesario que obtenga suficiente calidad de energía.Entre las Líneas En general, el ingrediente que falta en el material vegetativo para los humanos o para otros animales es la proteína suficiente. El kwashiorkor es una enfermedad común de las personas con una dieta insuficiente en proteínas, caracterizada por un cabello color canela y un vientre protuberante, así como muchos problemas metabólicos personales que restringen la capacidad de las personas para trabajar.Entre las Líneas En una ocasión, en el decenio de 1950, los nutricionistas bien intencionados hicieron un gran esfuerzo por aumentar la producción de proteínas de ciertos grupos de personas que padecían esta enfermedad, por ejemplo, alimentando con los granos existentes a los pollos y los peces, para tratar de aumentar la proteína disponible para estas personas.Si, Pero: Pero el programa fracasó porque la gente estaba realmente hambrienta de energía, y sus cuerpos quemaban las proteínas como combustible, no las usaban para el desarrollo estructural.Entre las Líneas En otras palabras, nuestros cuerpos tienen una necesidad aún mayor de energía que para la construcción y reparación de estructuras. Así que, alimentar a los animales con granos ricos en energía para producir una menor cantidad de proteína en realidad exacerbó el problema al reducir la energía disponible para la gente, aunque obtuvieron más proteína, sus cuerpos desesperados tuvieron que usarla como combustible, ¡no para el mantenimiento o el crecimiento de nuevos tejidos! Pero cuando las calorías son suficientes, la proteína es crítica para el desarrollo normal y saludable, por lo que la calidad de la energía es a menudo tan importante como la cantidad. Obviamente en nuestra comida, la calidad es un tema mucho más complejo que la simple proteína o no.

Las proteínas son alimentos hechos de aminoácidos que se basan en el nitrógeno así como en el carbono. Uno puede pensar en una hamburguesa: el bollo es un carbohidrato hecho de carbono, hidrógeno y oxígeno, y la carne es una proteína, que tiene esos elementos y también mucho nitrógeno. Mientras que normalmente pensamos en las proteínas como carne, hay muchas otras fuentes. Por ejemplo, los ecologistas han descubierto que muchos de los animales de un estuario o de un bosque dependen de cadenas alimentarias perjudiciales, es decir, de alimentos que han estado muertos durante un tiempo relativamente largo antes de ser consumidos (a diferencia del pastoreo o de la exploración de materiales vivos). El material vegetal muerto es en su mayor parte carbono y, como tal, contiene poco nitrógeno, que es crítico para las necesidades proteínicas de los animales que se alimentan de él.Si, Pero: Pero en los estuarios y los suelos de los bosques gran parte de la descomposición de este material se produce por bacterias, y ciertas bacterias pueden hacer algo que la mayoría de los demás organismos no pueden: pueden fijar el nitrógeno del aire y convertirlo en proteína.

Una Conclusión

Por lo tanto, los animales que comen alimentos microbianos obtienen una mejor nutrición porque tienden a tener más proteínas. Esto puede sonar repulsivo para los humanos, pero tal vez lo sea mucho menos si pensamos en los alimentos mediados por microbios que comemos: pan, queso, cerveza, vino, salami, crema agria, etc. De hecho, la mayoría de nuestros alimentos para fiestas están mediados por microbios.

Datos verificados por: LI

Características de Energía eólica

Recursos

Traducción de Energía eólica

Inglés: Wind energy
Francés: énergie éolienne
Alemán: Windenergie
Italiano: Energia eolica
Portugués: Energia eólica
Polaco: Energia wiatru

Tesauro de Energía eólica

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Véase También

• Regiones de Francia
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• Bretaña
• Isla de Francia
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