En el 2020 se vivió el año con mayor incremento en la capacidad instalada para generación energía eólica en la historia, llegando hasta los 743 GW en todo el mundo. Más de esta capacidad está en China y desafortunadamente, Latinoamérica a pesar de ser una zona con viento suficiente, apenas aporta 34 GW del total (en México tenemos 7 GW instalados según la AMDEE).
Pero ¿Sabes cómo se obtiene energía del viento? Normalmente, instalamos aerogeneradores de eje horizontal (como los molinos de viento que combatía Don Quijote) de dimensiones increíbles y en zonas lejanas a la ciudad. Esto se debe a que la energía que puede producir uno de estas máquinas depende del área de barrido que tienen y de la velocidad del viento que choca contra sus aspas.
Y aquí cabe bien la frase, de que el tamaño sí importa. Incluso hay una rivalidad entre las grandes trasnacionales por crear la turbina más colosal, su altura oscila entre los 60 y los 180 m y el diámetro de barrido supera los 164 m. Cada una de estas turbinas como la que fabrica Vestas, puede generar 8 MW, que podría cubrir lo que consumen casi 7600 hogares en la Ciudad de México de electricidad en un año.
¿Pero cómo sabemos qué forma tienen que tener y cómo deben construirse estos gigantes?
Antes de seguir te dejamos una recomendación para tu fin de semana de streaming, esta película biográfica de William Kamkwamba, que se llama El niño que domó el viento y está disponible en Netflix. En este largometraje, un niño de una comunidad rural logra transformar chatarra electrónica y pedazos de maquinaria en una aerobomba o molino de viento de una manera rudimentaria. Y si bien no es una obra claramente ingenieril, deja ver que esta energía puede tener un profundo impacto positivo en nuestra sociedad.
Ahora sí, expliquemos paso a paso: ¿Cómo se construye un aerogenerador de eje horizontal?
Realizar un análisis del Viento
Para saber el tamaño del armatoste que se va a construir, es importante conocer el clima del lugar, a dónde se quieren instalar las turbinas eólicas. Por lo que según nos cuentan las normas, los libros y mis clases de Universidad, el primer paso es un análisis histórico de vientos.
Este análisis de las rachas y direcciones de viento, temperaturas, humedades y radiación solar nos permite conocer más a fondo las problemáticas que enfrentará el equipo en el lugar donde generarán energía. Además, nos permite conocer el potencial eólico, que depende de la velocidad de viento más frecuente y que determina el diámetro del rotor de nuestro aerogenerador, bueno y por ende, la altura de la torre que sostendrá las aspas.
En este paso, la estadística, probabilidad y las ramas nacientes como Ciencia de Datos, Machine Learning y Neuronal Networks están cobrando relevancia, ya que lograr predecir el clima es una de los grandes retos que podemos intentar resolver utilizando el poder computacional de esta nueva era.
El diseño aerodinámico de las aspas
Una vez definido el tamaño del área del rotor o de barrido, el siguiente paso es el diseño aerodinámico de las aspas o palas de tu aerogenerador. Si bien, podríamos tomar un curso entero solamente de esta parte (como lo hice yo en la Universidad), te platicaré brevemente que la parte más importante es el perfil que tiene la geometría del aspa.
Estos perfiles tienen la misma forma que la que tendría el ala de un ave o un avión si la pudiéramos cortar, y esas figuras geométricas son llamadas perfiles aerodinámicos. Estos contornos parecidos a gotas de agua, son especialmente útiles debido a que su geometría permite que la fuerza de arrastre que sufre (que empuja hacia atrás la forma) es mucho más pequeña, que la de sustentación (que hace que vaya hacia arriba).
Estas geometrías son diseñadas y probadas experimentalmente por personas del ámbito científico, pero sobre todo buscan que con menor velocidad del viento, la fuerza de sustentación sea mucho más grande. Y una muy buena forma de conocer esta relación es observar algo que se llama coeficiente de sustentación, que es un número sin dimensiones y que cada geometría tiene uno en específico.
Seleccionar tu perfil en la base de datos web
En la literatura existen muchísimas geometrías con sus coeficientes reportados, pero uno de los mejores lugares para encontrar y seleccionar un perfil es la base de datos web de airfoiltools.com. Donde podemos encontrar un gran recopilatorio de esta información aerodinámica, y sobre todo encontramos archivos .txt que nos permitirán dibujar estos perfiles en nuestro software CAD de preferencia.
Una vez seleccionado un perfil o perfiles, debemos colocarlos en secciones transversales (como costillas) y se deben variar las longitudes de los perfiles, justo para obtener esas formas parecidas a espadas. Donde el ancho y largo de las formas se va haciendo más fino mientras más cerca están de la punta de estas aspas.
En este momento podríamos ya dibujar nuestra aspa y comenzar a probarla en algún software, para conocer el desempeño del diseño, e incluso puedes saber cuánta energía es capaz de generar. Podríamos decir que el primer paso para construir uno ya está listo, sin embargo, hay que recordar que el diseño estructural, eléctrico y electrónico dentro de estos monstruos hacen que sean proyectos que necesitan muchas personas.
Como ves, diseñar un aerogenerador no es cuestión de solamente ponerle un obstáculo al aire, y sin embargo, hay diseños rudimentarios en internet que podrían ayudarte a bajar tu recibo de electricidad. Por si tienes curiosidad y quisieras replicar alguno que veas, te recomendamos esta herramienta Open Source de la Universidad Tecnológica de Berlín para que mejores tu diseño de aerogenerador.
