Una, dos tres...:
¿cuántas palas?



Por
Conrado Moreno Figueredo*

 

Consideraciones para determinar
el número de palas en las turbinas eólicas

 


Cuando en el paisaje rural aparece una máquina eólica, lo primero que se observa es un elemento en rotación con un cierto número de aspas o palas instaladas sobre una torre a cierta altura.

Muchos se preguntarán por qué algunas de estas máquinas poseen muchas palas y otras menos.

Los molinos de viento que se emplean tradicionalmente para el bombeo de agua generalmente poseen muchas palas (entre 16 y 24), y las turbinas eólicas usadas para generar electricidad usualmente tienen solamente tres, aunque cada vez menos frecuentemente se fabrican de dos palas. El parque eólico Los Canarreos, en la Isla de la Juventud, posee máquinas con rotores de dos palas. Los restantes parques eólicos cubanos son de tres palas. ¿Cuál es la razón de esta disparidad?

Este artículo trata precisamente de explicar ese asunto, que con tanta frecuencia se pregunta.


Velocidad de rotación de una turbina eólica

La velocidad de rotación de una turbina eólica normalmente se expresa en revoluciones por minuto (rpm), o en radianes por segundo (rad.s–1).

La velocidad de rotación en revoluciones por minuto por lo general se representa por N, y la velocidad angular en radianes por segundo usualmente se representa por Ω. La relación existente entre las rpm y los radianes por segundo se presenta seguidamente:
1 rpm = (2π / 60) rad.s–1


Velocidad en la punta de la pala de una turbina eólica

Otra forma de medir la velocidad de una turbina eólica es la velocidad de punta, U, la cual es la velocidad tangencial del rotor en la punta de las palas, medida en metros por segundo. Es el producto de la velocidad angular Ω del rotor y el radio de la punta de la pala, R (en metros). De aquí se deriva otra forma de expresar la velocidad U:
U = (2πRN) / 60


Razón de velocidad de punta

Dividiendo la velocidad de punta, U, entre la velocidad no perturbada delante del rotor, V0, se obtiene una relación adimensional muy útil, conocida como razón de velocidad de punta, la que se representa normalmente por λ. Esta razón proporciona una medida útil con la cual se comparan las turbinas eólicas con diferentes características.

Una turbina eólica con un diseño específico puede operar en un rango de velocidades de punta, pero operará con la mayor eficiencia a una determinada razón de velocidad de punta, es decir, cuando la velocidad de la punta de su álabe sea un valor múltiple determinado de la velocidad del viento. En la figura 1 puede verse este efecto.

 

Fig. 1. Relación entre la razón de velocidad de punta
y el coeficiente de potencia, para diferentes tipos de máquinas eólicas.
 

Denominando a la eficiencia por el término «coeficiente de potencia», se advierte que cada tipo de rotor opera en un intervalo de razones de velocidades de punta determinado, pero alcanza un valor máximo de eficiencia a un cierto valor de λ. Por ejemplo, un rotor tripala opera en el rango de 6 a 12, pero alcanza su valor máximo cuando el valor de la razón de velocidad de punta se encuentra cercano a 10. Los molinos de viento multipala alcanzan este valor cuando λ es aproximadamente 1.

La razón de velocidad de punta óptima para una velocidad de rotor dependerá tanto del ancho de las palas como de su número.


La solidez del rotorde una turbina eólica

El término «solidez» describe la fracción del área de barrido que es sólida. Las turbinas eólicas con grandes números de palas se les conoce como turbinas de alta solidez; las turbinas con pequeño número de palas se les denomina turbinas de baja solidez. Los molinos de viento multipalas son de rotores de alta solidez, y los modernos aerogeneradores (con una, dos o tres palas) tienen rotores de baja solidez.

Con el fin de extraer la energía del viento lo más eficientemente posible, las palas deben interactuar lo máximo posible con el viento que pasa a través del área de barrido del rotor. Las palas de una turbina eólica multipala interactúan con todo el viento a muy baja razón de velocidad de punta; sin embargo, las palas de una turbina de baja solidez tienen que viajar más rápidamente para virtualmente llenar el área de barrido con el fin de interactuar con todo el viento que pasa a través de él. Si la razón de punta es de

masiado baja, parte del viento que pasa a través del área de barrido del rotor viajaría sin interactuar con las palas; sin embargo, si la razón de velocidad de punta es demasiado alta, la turbina ofrece mucha resistencia al viento y parte de este pasará bordeándolo. Un rotor de dos palas (bipala) más ligero, con palas con el mismo ancho de uno de tres palas (tripala), tendrá una razón de velocidad de punta un tercio mayor que el rotor de tres palas. Un rotor de una pala con palas del mismo ancho que uno de dos palas, tendrá una razón de velocidad de punta dos veces mayor que el de dos palas. Las razones de velocidades óptimas para las turbinas eólicas modernas de baja solidez se ubican en el intervalo de 6 a 20.

De lo anterior se desprende que los rotores de turbinas eólicas con más palas tienen que ser más eficientes, pero la interferencia de una pala con otra no posibilita que esta teoría se cumpla. Los mayores números de palas hacen que una pala interfiera con la más cercana, lo que provoca pérdida de la eficiencia, por lo que las turbinas eólicas de alta solidez tienden a ser menos eficientes que las de baja solidez. De las de baja solidez, las de tres palas tienden a ser más eficientes; los rotores de dos palas son ligeramente menos eficientes, y los rotores de una pala ligeramente menos eficientes aún. En la figura 1 se puede observar este efecto.


Potencia mecánica

La potencia mecánica que una turbina eólica extrae del viento es el producto de la velocidad angular por el torque impartido por el viento al rotor. El torque es el momento alrededor del centro de rotación debido a la fuerza impartida por el viento a los álabes del rotor. El torque es usualmente medido en newton-metro (Nm). Para un cierto valor de potencia, la menor velocidad angular se corresponde con un torque mayor; e inversamente, la mayor velocidad angular se corresponde con el menor torque.

Las bombas que se emplean en las turbinas eólicas para el bombeo de agua requieren un alto torque de arranque para funcionar. Las turbinas multipalas son, por tanto, las que generalmente se emplean para bombear agua, ya que sus bajas relaciones de velocidad de punta traen como resultado altos torques.

Las cajas de transmisión (reductoras y multiplicadoras)

Como los generadores eléctricos convencionales empleados en las turbinas eólicas giran a velocidades muchas veces mayor que la mayoría de los rotores de las turbinas eólicas, estos generalmente requieren de alguna forma de multiplicación de la velocidad. Algunas velocidades típicas de los generadores en sistemas donde la frecuencia de la electricidad es 60 Hz, son: 3 540, 1 750, 1 150 y 860 rpm.

Las turbinas eólicas de baja solidez son mejores para la generación de electricidad que las de alta solidez, ya que operan a mayores razones de velocidad de punta y, por tanto, no requieren razones de multiplicación tan altas para poner en fase la velocidad del rotor con la del generador. Esto lo hacen las cajas multiplicadoras.

 

Todo lo contrario ocurre en las máquinas eólicas empleadas para el bombeo mecánico de agua, es decir, para extraer agua con bombas de émbolo, donde la velocidad de estas bombas debe ser baja para que trabajen correcta y eficientemente. Entonces en estos casos se emplean cajas reductoras de velocidad normalmente de 1:3.

* Doctor en Ciencias Técnicas. Profesor Titular del Centro de Estudio de Tecnologías Energéticas Renovables (CETER), La Habana, Cuba.
e-mail:conrado@ceter.cujae.edu.cu