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El viento es una fuente de energía gratuita hasta que los gobiernos la cobran, pero también es una fuente de energía muy impredecible y poco confiable porque su intensidad y dirección fluctúan todo el tiempo. Por lo tanto, para aprovechar al máximo la energía eólica disponible, el diseño de las palas de la turbina eólica debe ser de alto rendimiento.
Las turbinas eólicas deben ser enormes y altas para crear cantidades razonables de electricidad. Aún así, para funcionar de manera eficiente, también deben construirse y fabricarse cuidadosamente, lo que los hace costosos. La mayoría de las turbinas eólicas construidas para la generación de energía han consistido en una hélice de dos o tres palas que se mueve alrededor de un eje horizontal. Estos diseños de palas de turbinas eólicas en forma de hélice transforman la energía eólica en potencia útil del eje, conocida como par.
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Esto se logra capturando la energía del viento al ralentizarlo o desacelerarlo a medida que pasa por encima de las palas. Las fuerzas que hacen que el viento desacelere son iguales y opuestas a las fuerzas de elevación de tipo empuje que hacen que las palas gire.
Las palas de las turbinas eólicas, al igual que las alas de los aviones, generan sustentación debido a su diseño curvo. La baja presión de aire se genera en el lado con la curvatura más grande, mientras que el aire de alta presión debajo empuja en el lado opuesto de la lámina aerodinámica en forma de pala. Como resultado, una fuerza de elevación perpendicular a una dirección de flujo de aire a través de la pala de la turbina. La dificultad aquí es construir la pala del rotor de tal manera que produzca la cantidad adecuada de elevación y empuje de la pala del rotor, lo que resulta en una desaceleración óptima del aire y, por lo tanto, una mayor eficiencia de la pala.
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Si las palas de la hélice de la turbina se mueven demasiado lentamente, pasa demasiado viento sin ser molestado y la turbina no recoge tanta energía como debería. Si, por el contrario, la pala de la hélice gira demasiado rápido, aparece al viento como un enorme disco giratorio plano, generando una enorme resistencia.
TSR se define como la relación entre la velocidad de la punta del rotor y la velocidad del viento y está determinada por el perfil de forma de la pala del rotor, la cantidad de palas de la turbina y el diseño de la pala de la hélice de la turbina eólica en sí. Entonces, ¿cuál es la forma y el diseño ideales para una pala de turbina eólica?
Las palas de las turbinas eólicas a menudo están diseñadas para generar la mayor cantidad de electricidad a partir del viento y requieren la menor cantidad de construcción. Sin embargo, los fabricantes de palas de turbinas eólicas se esfuerzan constantemente por crear un diseño de palas más eficiente. Los constantes avances en el diseño de palas eólicas han dado lugar a nuevos diseños de turbinas eólicas que son más compactos, más silenciosos y capaces de generar más electricidad con menos viento. Se cree que al doblar ligeramente la pala de la turbina, pueden captar entre un 5 y un 10% más de energía eólica y funcionar de manera más eficiente en lugares con velocidades de viento más bajas.
Diseño de palas de aerogeneradores
Entonces, ¿cuál de las siguientes formas de palas crearía la mayor cantidad de energía para una turbina eólica? – Las palas planas son la forma de pala más antigua y se han utilizado en molinos de viento durante miles de años; Sin embargo, esta forma plana y ancha es cada vez menos frecuente a medida que otras formas de diseño de cuchillas se vuelven más populares. Las aspas planas empujan contra el viento mientras que el viento empuja hacia atrás.
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Debido a que las cuchillas que giran hacia atrás en la carrera ascendente después de generar energía se oponen a la producción de energía, la rotación resultante es extremadamente lenta. Esto se debe a que las palas se comportan como grandes palas que van en la dirección opuesta, empujando contra el viento, lo que les ha valido el apodo de palas de rotor basadas en el arrastre.
Sin embargo, en comparación con otros diseños de palas eólicas, los diseños de palas planas proporcionan beneficios sustanciales al aficionado al bricolaje. Las palas de rotor plano son económicas y fáciles de cortar a partir de láminas de madera contrachapada o metal, lo que garantiza una forma y un tamaño consistentes. También son los más simples de comprender, ya que necesitan menos habilidades de diseño y construcción, pero su eficiencia y simplicidad de generación de energía eléctrica son relativamente bajas.
Las palas curvas son similares a un ala de aviación larga con una superficie curva en la parte superior (también conocida como perfil aerodinámico). El aire fluye alrededor de la pala curva, y el aire se mueve más rápido sobre la parte superior curva de la pala que debajo del lado plano de la pala, generando una zona de presión más baja en la parte superior y, como resultado, sometiéndola a fuerzas de elevación aerodinámicas que crean movimiento.
Estas fuerzas de elevación son siempre perpendiculares a la superficie superior de la cuchilla curva, lo que hace que la cuchilla gire alrededor del cubo central. Cuanto más rápido sopla el viento, más elevación se crea en la pala, lo que hace que gire más rápido. Las ventajas de una pala de rotor curva sobre una pala plana incluyen que las fuerzas de elevación permiten que las puntas de las palas de una turbina eólica se muevan más rápido que el viento, creando más potencia y mayor eficiencia. Como resultado, las palas de turbinas eólicas basadas en elevación se están generalizando. Además, las palas de turbinas eólicas de PVC caseras se pueden cortar de tuberías de drenaje de tamaño estándar que ya tienen incorporada la forma curva, lo que les da la forma ideal de pala.
Flujo de aire y rendimiento de las palas curvas
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Por otro lado, las cuchillas curvas sufren de arrastre a lo largo de su longitud, deteniendo el movimiento de la hoja. La resistencia es principalmente la fricción del aire contra la superficie de la hoja. El arrastre es perpendicular al elevador y fluye en la misma dirección que el aire a lo largo de la superficie de la hoja. Sin embargo, podemos minimizar la resistencia doblando o torciendo la pala y estrechándola en toda su longitud, lo que da como resultado el diseño de pala de turbina eólica más eficiente.
El «ángulo de ataque» es el ángulo formado por la dirección del viento que se aproxima y el cabeceo de la pala con respecto al viento que se aproxima. Se genera más sustentación a medida que aumenta el ángulo de ataque, pero a medida que el ángulo aumenta por encima de 20 grados, la hoja reduce la sustentación. Por lo tanto, existe un ángulo de inclinación óptimo de las palas del rotor que produce la rotación óptima, y las palas de rotor de las turbinas eólicas actuales se construyen con un giro en toda su longitud, desde una inclinación pronunciada en su raíz hasta una inclinación relativamente poco profunda en su punta.
Debido a que la velocidad de una pala giratoria en su punta es más rápida que en su raíz o centro, las palas de rotor modernas se retuercen a lo largo de su longitud de 10 a 20° desde la raíz hasta la punta, lo que reduce el ángulo de ataque desde donde el aire se mueve relativamente lento cerca de la raíz hasta donde se mueve mucho más rápido en la punta. Esta torsión de la hoja aumenta el ángulo de ataque a lo largo de la hoja, lo que resulta en la mejor elevación y rotación.
Definitivamente, la longitud de la pala del rotor de una turbina eólica dicta cuánta energía eólica se puede recolectar a medida que gira alrededor de un eje central. El rendimiento aerodinámico de las palas de los aerogeneradores varía mucho entre las palas planas y las curvas. Las cuchillas planas son baratas y fáciles de fabricar, pero tienen grandes fuerzas de arrastre, lo que las hace lentas e ineficientes.
Las palas del rotor de las turbinas eólicas deben tener un perfil aerodinámico para producir sustentación y rotación de la turbina; Sin embargo, las palas curvas de tipo aerodinámico son más complejas de construir, pero ofrecen un rendimiento superior y mayores velocidades de rotación, lo que las hace adecuadas para la generación de energía eléctrica.
Sin embargo, podemos aumentar aún más la aerodinámica y la eficiencia de las palas de las turbinas eólicas mediante la adopción de palas de rotor de hélice cónicas y retorcidas. Al girar la pala se altera el ángulo del viento a lo largo de su longitud. El efecto combinado de doblar y estrechar la hoja en toda su longitud aumenta el ángulo de ataque, aumentando la velocidad y la eficiencia al tiempo que disminuye la resistencia. Además, debido a que se minimiza la fuerza de flexión, las cuchillas cónicas son más fuertes y livianas que las cuchillas rectas.
El diseño de las palas de la turbina eólica es fundamental para que una turbina eólica funcione como se espera. Las innovaciones en las palas de los aerogeneradores y las nuevas tecnologías no han terminado aquí, ya que se estudian regularmente nuevas fórmulas y diseños para aumentar su rendimiento, eficiencia y producción de energía.
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