Tutoriales de energía alternativa
¿Las palas de los aerogeneradores deben ser planas, dobladas o curvadas
El viento es un recurso energético gratuito, hasta que los gobiernos le ponen un impuesto, pero el viento es también una fuente de energía muy impredecible y poco fiable, ya que cambia constantemente tanto de fuerza como de dirección. Para producir cantidades útiles de energía, los aerogeneradores generalmente tienen que ser grandes y altos, pero para que funcionen eficazmente también tienen que estar bien diseñados y concebidos, lo que también los hace caros.
La mayoría de los aerogeneradores diseñados para la producción de electricidad han consistido en una hélice de dos o tres palas que gira alrededor de un eje horizontal. Es obvio decir que estos diseños de palas de aerogenerador tipo hélice convierten la energía del viento en potencia utilizable en el eje llamada par. Esto se consigue extrayendo la energía del viento al ralentizarlo o desacelerarlo cuando pasa por encima de las palas. Las fuerzas que desaceleran el viento son iguales y opuestas a las fuerzas de elevación de tipo empuje que hacen girar las palas.
Al igual que el ala de un avión, las palas de los aerogeneradores funcionan generando sustentación debido a su forma curva. El lado con más curvatura genera una baja presión de aire, mientras que el aire de alta presión que se encuentra por debajo empuja el otro lado de la lámina aerodinámica en forma de aspa. El resultado neto es una fuerza de elevación perpendicular a la dirección del flujo de aire sobre la pala de la turbina. El truco consiste en diseñar la pala del rotor de forma que se cree la cantidad adecuada de elevación y empuje de la pala del rotor, produciendo una desaceleración óptima del aire y, por lo tanto, una mayor eficiencia de la pala.
Si las palas de la hélice de la turbina giran demasiado despacio, permite que pase demasiado viento sin ser perturbado y, por lo tanto, no extrae tanta energía como podría. Por otro lado, si la pala de la hélice gira demasiado rápido, aparece ante el viento como un gran disco plano en rotación, lo que crea una gran cantidad de resistencia.
Entonces, la relación óptima de velocidad de punta, TSR, que se define como la relación entre la velocidad de la punta del rotor y la velocidad del viento, depende del perfil de la forma de la pala del rotor, del número de palas de la turbina y del propio diseño de la pala de la hélice del aerogenerador. Así pues, cuál es la mejor forma y diseño de las palas de las turbinas eólicas.
En general, las palas de las turbinas eólicas tienen una forma que permite generar la máxima potencia del viento con el mínimo coste de construcción. Pero los fabricantes de palas de aerogeneradores siempre buscan desarrollar un diseño de pala más eficiente. Las constantes mejoras en el diseño de las palas han dado lugar a nuevos diseños de aerogeneradores más compactos, más silenciosos y capaces de generar más energía con menos viento. Se cree que curvando ligeramente la pala de la turbina, son capaces de capturar entre un 5 y un 10 por ciento más de energía eólica y de funcionar de forma más eficiente en zonas en las que la velocidad del viento suele ser menor.
Diseño de palas de aerogeneradores
Entonces, ¿qué tipo de forma de pala produciría la mayor cantidad de energía para un aerogenerador? – Las palas planas son el diseño de pala más antiguo y se han utilizado durante miles de años en los molinos de viento, pero esta forma ancha y plana es cada vez menos común que otros tipos de diseño de pala. Las palas planas empujan contra el viento, y el viento empuja contra las palas.
La rotación resultante es muy lenta porque las palas que están girando hacia atrás en la carrera ascendente después de generar energía están en oposición a la salida de energía. Esto se debe a que las palas actúan como enormes remos que se mueven en la dirección equivocada, empujando contra el viento, lo que les da el nombre de palas de rotor de arrastre.
Sin embargo, los diseños de palas planas ofrecen importantes ventajas para el bricolaje en comparación con otros diseños de palas eólicas. Las palas planas son fáciles y baratas de cortar a partir de láminas de madera contrachapada o metal, lo que garantiza que las palas tengan una forma y un tamaño uniformes. También son las más fáciles de entender y requieren menos conocimientos de diseño y construcción, pero su eficiencia y la facilidad para generar energía eléctrica son muy bajas.
Las palas curvadas son muy similares a un ala larga de avión (también conocida como aerodinámica) que tiene una superficie curvada en la parte superior. La pala curvada tiene aire que fluye a su alrededor y el aire se mueve sobre la parte superior curvada de la pala más rápido que debajo de la parte plana de la pala, lo que hace que haya una zona de menor presión en la parte superior y, por lo tanto, como resultado, está sometida a fuerzas de elevación aerodinámicas que crean movimiento.
Estas fuerzas de elevación son siempre perpendiculares a la superficie superior de la pala curvada, lo que hace que la pala se mueva girando alrededor del buje central. Cuanto más rápido sopla el viento, mayor es la elevación que se produce en la pala y, por tanto, más rápida es la rotación. Las ventajas de una pala curvada en comparación con una pala plana es que las fuerzas de sustentación permiten que las puntas de las palas de un aerogenerador se muevan más rápido de lo que se mueve el viento, generando más potencia y mayor eficiencia. Por ello, las palas de aerogeneradores con elevación son cada vez más comunes. Además, las palas de los aerogeneradores caseros de pvc pueden cortarse a partir de tubos de drenaje de tamaño estándar que ya llevan incorporada la forma curvada, lo que les confiere la mejor forma de pala.
Flujo de aire y rendimiento de las palas curvadas
Pero las palas curvadas también sufren la resistencia a lo largo de su longitud, que intenta detener el movimiento de la pala. La resistencia es esencialmente la fricción del aire contra la superficie de la pala. La resistencia es perpendicular a la sustentación y está en la misma dirección que el flujo de aire a lo largo de la superficie de la pala. Pero podemos reducir esta fuerza de arrastre doblando o torciendo la pala y también estrechándola a lo largo de su longitud, produciendo el diseño de pala de aerogenerador más eficiente.
El ángulo entre la dirección del viento entrante y la inclinación de la pala con respecto al viento entrante se llama «ángulo de ataque». A medida que este ángulo de ataque se hace más grande, se crea más sustentación, pero a medida que el ángulo se hace aún más grande, mayor de unos 20o, la pala comenzará a disminuir la sustentación. Por lo tanto, existe un ángulo de inclinación ideal de la pala del rotor que crea la mejor rotación y las palas de los rotores de los aerogeneradores modernos se diseñan en realidad con un giro a lo largo de su longitud desde una inclinación pronunciada en su raíz hasta una inclinación muy superficial en su punta.
Como la velocidad en la punta de una pala giratoria es más rápida que en su raíz o centro, las palas de los rotores modernos se retuercen a lo largo de su longitud entre 10 y 20o desde la raíz hasta la punta, de modo que el ángulo de ataque disminuye desde que el aire se mueve con relativa lentitud cerca de su raíz, hasta que se mueve mucho más rápido en la punta. Este giro de las palas maximiza el ángulo de ataque a lo largo de su longitud, consiguiendo la mejor sustentación y rotación.
En conclusión, la longitud de las palas del rotor de un aerogenerador determina la cantidad de energía eólica que se puede captar al girar alrededor de un buje central y el rendimiento aerodinámico de las palas del aerogenerador es muy diferente entre una pala plana y una pala curva. Las palas planas son baratas y fáciles de fabricar, pero tienen una gran fuerza de arrastre que las hace lentas e ineficientes.
Para aumentar la eficiencia de las palas de los aerogeneradores, las palas del rotor deben tener un perfil aerodinámico para crear sustentación y hacer girar la turbina, pero las palas curvadas de tipo aerodinámico son más difíciles de fabricar, pero ofrecen un mejor rendimiento y una mayor velocidad de rotación, lo que las hace ideales para la generación de energía eléctrica.
Pero para obtener el mejor diseño de las palas de los aerogeneradores podemos mejorar aún más la aerodinámica y la eficiencia utilizando palas de rotor de tipo hélice retorcidas y cónicas. La torsión de la pala cambia el ángulo de los vientos a lo largo de la pala con el efecto combinado de la torsión y el ahusamiento de la pala a lo largo de su longitud mejora el ángulo de ataque aumentando la velocidad, la eficiencia y reduciendo la resistencia. Además, las palas cónicas son más resistentes y ligeras que las rectas, ya que se reducen los esfuerzos de flexión.
El diseño de las palas de los aerogeneradores es crucial para que éstos funcionen según las expectativas. Las innovaciones y las nuevas tecnologías utilizadas para el diseño de las palas de los aerogeneradores no se han detenido aquí, ya que se están considerando nuevas fórmulas y diseños para mejorar su rendimiento, eficiencia y producción de energía diariamente.
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