Si las palas de aerogenerador son planas, dobladas o curvas
El viento es un recurso de energía gratuito, hasta que los gobiernos lo gravan, pero el viento también es una fuente de energía muy impredecible y poco fiable, ya que cambia constantemente tanto en fuerza como en dirección. Por lo tanto, para garantizar que aprovechemos al máximo la energía eólica disponible, es importante que el diseño de las palas de los aerogeneradores tenga un rendimiento óptimo.
Para producir cantidades útiles de energía, las turbinas eólicas generalmente deben ser grandes y altas, pero para funcionar de manera eficiente también deben estar bien diseñadas y diseñadas, lo que también las hace caras. La mayoría de las turbinas eólicas diseñadas 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 hélices como turbinas eólicas convierten la energía del viento en potencia de eje utilizable llamada par.
Esto se logra extrayendo la energía del viento ralentizándolo o desacelerándolo a medida que pasa por encima de las palas. Las fuerzas que desaceleran el viento son iguales y opuestas a las fuerzas de elevación del tipo de empuje que hacen girar las palas.
Al igual que las alas de un avión, las palas de los aerogeneradores funcionan generando elevación debido a su forma curva. El lado con más curvas genera una presión de aire baja, mientras que el aire a alta presión debajo empuja hacia el otro lado del perfil en forma de hoja. El resultado neto es una fuerza de elevación perpendicular a la dirección de flujo del aire sobre la pala de la turbina. El truco aquí es diseñar la pala del rotor de tal manera que cree la cantidad correcta de elevación y empuje de la pala del rotor, produciendo una desaceleración óptima del aire y, por lo tanto, una mejor eficiencia de la pala.
Si las palas de las hélices de las turbinas giran demasiado lentamente, permite que pase demasiado viento sin ser molestado y, por lo tanto, no extrae tanta energía como podría. Por otro lado, si la pala de la hélice gira demasiado rápido, al viento le parece un disco giratorio plano grande, lo que crea una gran cantidad de resistencia.
Entonces, la relación de velocidad óptima de la 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, el número de palas de la turbina y el diseño de la pala de la hélice de la turbina eólica en sí. Entonces, cuál es la mejor forma y diseño de hoja para un diseño de hoja de turbina eólica.
Generalmente, las palas de los aerogeneradores están moldeadas para generar la máxima potencia del viento al mínimo costo de construcción. Pero los fabricantes de palas de aerogeneradores siempre buscan desarrollar un diseño de palas más eficiente. Las mejoras constantes en el diseño de las palas eólicas han producido nuevos diseños de turbinas eólicas que son más compactos, silenciosos y capaces de generar más energía a partir de menos viento. Se cree que al curvar ligeramente la pala de la turbina, pueden capturar entre un 5 y un 10 por ciento más de energía eólica y operar de manera más eficiente en áreas que generalmente tienen velocidades de viento más bajas.
Diseño de palas de turbina eólica
Por lo que qué tipo de forma de hoja produciría la mayor cantidad de energía para una turbina eólica: las palas planas son el diseño de palas más antiguo y se han utilizado durante miles de años en molinos de viento, pero esta forma ancha plana se está volviendo menos común que otros tipos de diseño de palas. Las cuchillas planas empujan contra el viento, y el viento empuja contra las cuchillas.
La rotación resultante es muy lenta porque las cuchillas que giran de nuevo 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 palas que se mueven en la dirección equivocada, empujando contra el viento, lo que les da el nombre de palas de rotor basadas en arrastre.
Sin embargo, los diseños de cuchillas planas ofrecen beneficios significativos para el bricolaje en comparación con otros diseños de cuchillas de viento. Las palas de rotor planas son fáciles y baratas de cortar de láminas de madera contrachapada o metal, lo que garantiza que las palas tengan una forma y un tamaño uniformes. También son los más fáciles de entender que requieren menos habilidades de diseño y construcción, pero la eficiencia y la facilidad de generación de energía eléctrica son muy bajas.
Las palas curvas son muy similares a un ala larga de avión (también conocida como velamen) que tiene una superficie curva en la parte superior. La hoja curva tiene aire que fluye a su alrededor con el aire que se mueve sobre la parte superior curva de la hoja más rápido que bajo el lado plano de la hoja, lo que hace que un área de presión más baja en la parte superior, y por lo tanto, como resultado, está sujeta a fuerzas de elevación aerodinámicas que crean movimiento.
Estas fuerzas de elevación son siempre perpendiculares a la superficie superior de la hoja curva, lo que hace que la hoja se mueva girando alrededor del cubo central. Cuanto más rápido sopla el viento, más elevación se produce en la hoja, por lo tanto, más rápida es la rotación.
Las ventajas de una pala de rotor curvada en comparación con una pala plana es que las fuerzas de elevación permiten que las puntas de las palas de una turbina eólica se muevan más rápido de lo que se mueve el viento, generando más potencia y mayores eficiencias. Como resultado, las palas de aerogeneradores basadas en elevadores se están volviendo más comunes ahora. Además, las palas de turbina eólica de PVC hechas en casa se pueden cortar de tuberías de drenaje de tamaño estándar que tienen la forma curva ya incorporada, lo que les da la mejor forma de hoja.
Flujo de aire y rendimiento de la hoja curva
Pero las hojas curvas también sufren arrastre a lo largo de su longitud, lo que intenta detener el movimiento de la hoja. El arrastre es esencialmente la fricción del aire contra la superficie de la cuchilla. El arrastre es perpendicular a la elevación y está en la misma dirección que el flujo de aire a lo largo de la superficie de la cuchilla. Pero podemos reducir esta fuerza de arrastre doblando o torciendo la cuchilla y también estrechándola a lo largo de su longitud, produciendo el diseño de cuchilla de turbina eólica más eficiente.
El ángulo entre la dirección del viento que se aproxima y el paso de la hoja con respecto al viento que se aproxima se denomina «ángulo de ataque». A medida que este ángulo de ataque se hace más grande, se crea más elevación, pero a medida que el ángulo se vuelve aún más grande, mayor que aproximadamente 20o, la hoja comenzará a disminuir la elevación. Por lo tanto, hay un ángulo de inclinación ideal de la pala del rotor que crea la mejor rotación y las palas de rotor de turbina eólica modernas están diseñadas con un giro a lo largo de su longitud desde un paso empinado en su raíz hasta un paso muy poco profundo en su punta.
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Como la velocidad en la punta de una cuchilla giratoria es más rápida que en su raíz o centro, las cuchillas del rotor modernas se tuercen a lo largo de su longitud entre 10 y 20o de raíz a punta, de modo que el ángulo de ataque disminuye desde donde el aire se mueve relativamente lentamente cerca de su raíz, hasta donde se mueve mucho más rápido en la punta. Este giro de la hoja maximiza el ángulo de ataque a lo largo de la longitud, obteniendo la mejor elevación y rotación.
En conclusión, la longitud de las palas de los rotores de los aerogeneradores determina cuánta energía eólica se puede capturar a medida que giran alrededor de un eje central y el rendimiento aerodinámico de las palas de los aerogeneradores es muy diferente entre una pala plana y una pala curva. Las cuchillas planas son baratas y fáciles de fabricar, pero tienen altas fuerzas de arrastre, lo que las hace lentas e ineficientes.
Para aumentar la eficiencia de las palas de la turbina eólica, las palas del rotor deben tener un perfil aerodinámico para crear elevación y rotación de la turbina, pero las palas curvas de perfil aerodinámico son más difíciles de fabricar, pero ofrecen un mejor rendimiento y velocidades de rotación más altas, lo que las hace ideales para la generación de energía eléctrica.
Pero para obtener el mejor diseño para palas de aerogeneradores, podemos mejorar la aerodinámica y la eficiencia aún más mediante el uso de palas de rotor de hélice retorcidas y cónicas. Torcer la hoja cambia el ángulo de los vientos a lo largo de la hoja con el efecto combinado de torcer y estrechar la hoja a lo largo de su longitud mejora el ángulo de ataque, aumentando la velocidad y la eficiencia al tiempo que reduce la resistencia. Además, las cuchillas cónicas son más fuertes y ligeras que las cuchillas rectas, ya que se reduce la tensión de flexión.
El diseño de palas de turbina eólica es crucial para que una turbina eólica funcione según las expectativas. Las innovaciones y las nuevas tecnologías utilizadas para diseñar palas de aerogeneradores no se han detenido aquí, ya que se están considerando nuevas fórmulas y diseños para mejorar su rendimiento, eficiencia y potencia a diario.
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