Aerogenerador

Un aerogenerador es un rotor de palas largas, perfiladas como alas, que el viento hace girar y que mueve un generador eléctrico en lo alto de una torre. Los pequeños cargan baterías; los grandes, con rotores de más de cien metros de diámetro, vierten su energía a la red a través de un transformador.

Qué es

Un aerogenerador es un molino de viento hecho para producir electricidad: el rotor hace girar un eje, y el eje mueve un generador. La máquina del dibujo tiene la disposición de casi todos los grandes aerogeneradores actuales. Tres palas esbeltas (1) dan la cara al viento delante de una torre de acero (7), y la góndola, arriba, guarda el tren de transmisión y gira para seguir al viento.

Cómo funciona

La potencia del viento es P = ½·ρ·A·v³, donde ρ es la densidad del aire, unos 1,2 kg/m³, A el área barrida por el rotor y v la velocidad del viento. Un rotor de 3 metros de diámetro barre unos 7,1 m². A 6 m/s, el viento que lo atraviesa lleva ½ × 1,2 × 7,1 × 6³ ≈ 920 vatios; a 12 m/s, ocho veces más, unos 7,4 kW. Por eso los aerogeneradores se alzan sobre torres altas, donde el viento sopla con más fuerza.

Ningún rotor puede llevarse toda esa potencia. Saca energía frenando el aire, pero el aire frenado tiene que seguir saliendo por detrás, o no entraría aire nuevo. Hacia 1920, el físico alemán Albert Betz demostró que la proporción máxima es 16/27, es decir, el 59,3 %. Las máquinas reales captan en general un 35-45 % en su rango de trabajo; un gran rotor moderno roza el 48 % en su mejor punto de funcionamiento, y la multiplicadora y el generador pierden algo más.

La sección de la pala es un ala. Está torcida a lo largo porque la punta va mucho más deprisa que la raíz.

Las palas modernas son perfiles aerodinámicos y trabajan por sustentación, como el ala de un avión. Al moverse deprisa a través del viento, la pala recibe aire que llega sobre todo de lado, y la sustentación sobre su perfil la arrastra en el giro. La velocidad específica, la de la punta de la pala dividida por la del viento, ronda 7 en los aerogeneradores tripala conectados a la red: con viento de 10 m/s, las puntas van a unos 70 m/s.

En el buje (2), cada pala va montada en un gran rodamiento que permite girarla sobre su propio eje. Este control del paso permite al rotor captar todo lo posible por debajo de la velocidad nominal del viento y limitar la potencia por encima. La máquina arranca a la velocidad de conexión, unos 3-5 m/s, y alcanza su plena potencia a la velocidad nominal. Por encima de la velocidad de corte, unos 25-29 m/s, pone las palas en bandera, el rotor se frena y un freno lo sujeta. Una veleta en la góndola indica la dirección del viento, y los motores de orientación (6) giran la góndola sobre una corona dentada, como hacía el molinete de orientación en un molino.

En las máquinas grandes, el eje principal (3) gira a unas 8-20 vueltas por minuto. En una transmisión clásica, una multiplicadora (4) acelera ese giro unas cien veces para el generador (5), que gira a más de mil vueltas por minuto. Otros diseños usan un generador de velocidad media con menos engranajes, o prescinden de la multiplicadora con un generador grande y lento de muchos polos magnéticos. La electrónica de potencia ajusta la corriente a la frecuencia de la red, y un transformador elevador sube la tensión.

Cómo se construye

Un aerogenerador pequeño puede cargar una batería de plomo de 12 voltios. Constrúyalo según un plano publicado y probado que especifique las palas, el mástil y la protección contra el embalamiento; los pasos siguientes muestran lo que ese plano debe cubrir. Consulte antes la normativa urbanística local y hable con los vecinos.

Elegir el sitio. Cerca del suelo, el viento es flojo y turbulento. Una regla habitual pone la parte baja del rotor al menos 9 metros por encima de cualquier obstáculo en 90 metros a la redonda. Un anemómetro a la altura prevista da una primera idea en unas semanas; un año entero muestra las estaciones.

Elegir el generador. Un motor de corriente continua de imanes permanentes, por ejemplo de una cinta de correr, sirve de generador. Hágalo girar con un taladro a velocidades conocidas, con una carga de 12 voltios conectada, y mida tensión y corriente: debe dar una corriente útil por encima de unos 14 voltios a unos cientos de vueltas por minuto, una velocidad que el rotor pueda alcanzar.

Palas cortadas de un tubo de plástico, un motor de cinta de correr y una cola de chapa.

Hacer el rotor. Los planos de máquinas pequeñas suelen cortar las palas de un tubo de plástico o tallarlas en una madera ligera de fibra recta. Respete la calidad del tubo, el grosor de pared y la forma de pala del plano: las palas de tubo se fatigan y pueden agrietarse en la raíz. Sujete la raíz de cada pala entre dos placas metálicas en el buje, equilibre el rotor hasta que se quede quieto en cualquier posición y cambie una pala a la primera grieta. Un rotor de 1,1 metros de diámetro recibe unos 70 vatios de viento a 5 m/s; 10 a 20 vatios en la batería es una estimación aproximada que solo una medición puede confirmar.

Mástil y cola. Una veleta de cola plana en un brazo mantiene el rotor de cara al viento. Monte el motor sobre un pivote en lo alto de un tubo de acero con pie articulado, y ancle los vientos a una distancia del pie de entre la mitad y tres cuartos de la altura del mástil, para poder abatirlo hasta el suelo. Use el mástil del plano, anclajes calculados para la carga y un cabrestante manual para levantarlo.

Proteger contra el embalamiento. Con una ráfaga, o sin carga eléctrica, un rotor puede girar hasta romperse. Un aerogenerador al aire libre necesita una protección automática: muchos pequeños tienen una cola articulada que gira el rotor fuera del viento fuerte; otros confían en la pérdida aerodinámica o en palas de paso variable. Sin esa protección, un aerogenerador no debe funcionar al aire libre; e incluso con ella, pare y baje un aerogenerador pequeño antes de una tormenta.

El cableado. Conecte el generador a la batería a través de un fusible y un diodo de bloqueo, que impide que la batería mueva el motor. Un regulador de derivación, dimensionado para la corriente del generador y conectado según su propio esquema, vigila la tensión de la batería y envía la potencia a una carga de derivación cuando está llena: resistencias capaces de absorber toda la potencia a la tensión de la batería, porque una estufa de red apenas consume nada a 12 voltios. Un interruptor que cortocircuita el generador frena el rotor con viento flojo, pero no lo bloquea; ate una pala al mástil antes de tocar el rotor.

Para un modelo de mesa, ponga un motor de juguete con palas de cartulina delante de un ventilador y mida la tensión en cada velocidad.

Seguridad. Las puntas de las palas van mucho más deprisa de lo que parece: no se ponga nunca en el plano del rotor. No suba nunca a un mástil mientras la máquina pueda girar; párela y abata el mástil. Mantenga a todo el mundo a más distancia que la altura del mástil al levantarlo o bajarlo, y aleje el mástil y su zona de caída de las líneas eléctricas aéreas. Las baterías de plomo contienen ácido sulfúrico y desprenden hidrógeno explosivo al cargarse: guárdelas en una caja ventilada, lejos de chispas y de las habitaciones. Un cortocircuito en una batería puede fundir cables y provocar un incendio. No conecte nunca usted mismo un aerogenerador a la instalación de un edificio ni a la red: hace falta un inversor homologado y un electricista cualificado.

Historia y evolución

En julio de 1887, James Blyth, profesor en Glasgow, levantó un molino de cuatro velas de lona junto a su casa de vacaciones en Marykirk, Escocia. Su dinamo cargaba acumuladores que iluminaban la casa. En 1883 se había mostrado en Viena una dinamo movida por el viento, pero la de Blyth es la primera bien documentada en uso diario.

La máquina de Brush en Cleveland: 144 palas de cedro en un rotor de 17 metros.

En el invierno de 1887-1888, Charles F. Brush construyó en Cleveland, Ohio, una dinamo eólica con 144 palas de cedro sobre una torre de 18 metros. Cargaba 12 baterías. Su dinamo suele darse como de 12 kW, aunque un artículo de prensa posterior habla de 1,2 kW. Desde 1891, Poul la Cour ensayó aerogeneradores en Askov, Dinamarca; más tarde formó también a electricistas rurales para construirlos.

Las granjas estadounidenses compraron aerogeneradores de carga en gran número; solo los hermanos Jacobs fabricaron unos 20 000 antes de cerrar en 1956, cuando la red llegó al campo. El 19 de octubre de 1941 se conectó a la red en Vermont la turbina bipala Smith-Putnam, de 1,25 MW; en 1945 perdió una pala. En 1957, Johannes Juul construyó en Gedser, Dinamarca, una máquina de 200 kW con tres palas, regulación por pérdida aerodinámica y generador asíncrono. Este «concepto danés» marcó los aerogeneradores construidos desde finales de los años setenta.

En 2025 se montó en China, para pruebas, un prototipo de 26 MW con un rotor de 310 metros. Ese año, el viento produjo el 8,5 % de la electricidad mundial.