Molinos y turbinas eólicas novedosas

 A. González Arias

Juv. Tec. Digital, 21 Noviembre, 2008

En los últimos años han aparecido en el mercado molinos de viento con diseños muy diferentes al de los molinos convencionales.  En un molino convencional como el de la figura 1, la disposición de las paletas alrededor de un eje horizontal es similar a la de las hélices de un avión o de un ventilador.  Cuando las paletas se colocan de frente al viento, el viento las golpea oblicuamente, empujándolas siempre hacia el mismo lado y dando lugar a la rotación del eje.  La rotación se transmite a una caja con engranajes que regula la velocidad, y de ahí a un generador que transforma le energía eólica en energía eléctrica.  Esta última se puede almacenar en un acumulador o utilizarse directamente con fines diversos.

Figura 1.  Molino de viento ►

La figura 2 muestra un diseño de turbina eólica radicalmente diferente al anterior, tipo Darrieus.  En este diseño las paletas, con un corte transversal similar al del ala de  un avión, se colocan paralelamente alrededor de un eje vertical.  Esta disposición da lugar a una diferencia de presión entre las caras de las paletas cuando sopla el viento, haciendo aparecer lo que se conoce en aerodinámica como una ‘fuerza de sustentación’ (lift force). 

Figura 2.  Turbina tipo Darrieus ►

Es fácil comprobar la existencia de la fuerza de sustentación soplando una hoja de papel por la parte superior, sujeta sólo por el extremo más cercano a la boca (figura 3). La hoja tiende a elevarse al soplar en la dirección horizontal, a causa de la diferencia de velocidades del aire por encima y por debajo.  En los aviones ocurre algo similar.  El diseño del ala es tal que el aire que pasa por encima debe recorrer una distancia ligeramente mayor que el que pasa por debajo en el mismo intervalo de tiempo, de aquí que el aire superior tenga mayor velocidad.  La diferencia de velocidades ocasiona en el ala el mismo efecto que cuando se sopla la hoja;  una fuerza ascensional.  Si los ángulos que forman ejes y paletas son los adecuados, esa misma ‘lift force’ hará girar la turbina, cualquiera sea la dirección del viento incidente. 

Las turbinas Darrieus se patentaron en 1927, pero es ahora cuando han aparecido materiales ligeros y a la vez resistentes como para soportar las tensiones que se crean durante su funcionamiento.  Algunos modelos poseen paletas de inclinación variable, que le permiten comenzar a girar con poco viento y aprovechar al máximo la ‘lift force’ a medida que la velocidad de rotación se incrementa, variando el ángulo de inclinación.  Pueden soportar vientos turbulentos que serían inadecuados para un molino de viento convencional.   Un valor típico de la energía eléctrica suministrada por una turbina Darrieus comercial es de 500 watt a 24 volt.

Pero estos no son los únicos tipos de molinos y turbinas existentes.  Uno diferente a los anteriores aparece en la figura 4 (diseño tipo barrilete) con un eje horizontal que  se alinea en la dirección del viento de manera similar al molino convencional.  Sin embargo, las paletas alabeadas se colocan horizontalmente.  Los fabricantes aseguran que el barrilete aprovecha mejor la energía del viento, al generar una sobrepresión accesoria por efecto Vénturi.

Figura 3.  “Lift force” ►

El apellido Vénturi es bien conocido en los cursos de dinámica de los fluidos.  Se refiere al físico italiano Giovanni Battista Vénturi (1746-1822), descubridor del efecto que lleva su nombre, que consiste en lo siguiente.  Cualquier estrechamiento en una tubería ocasiona el aumento de la velocidad del fluido en ese punto y una correspondiente disminución de la presión.  Si al estrechamiento se le acopla un conducto desde un recipiente que contenga otro fluido (que puede ser aire), éste será aspirado hacia la tubería. 

Muchos nebulizadores para rociar insecticidas o fungicidas funcionan sobre la base de este principio. Al pasar por un estrechamiento, el aire a gran velocidad aspira el fluido y lo dispersa en forma de gotas microscópicas.  Los carburadores forman la mezcla detonante aire/combustible gracias a este efecto, y el tubo de Vénturi es una tubería con un estrechamiento que permite medir la velocidad del líquido a partir de la diferencia de presión entre el tramo ancho y el estrecho.

Figura 4.  Turbina tipo barrilete

El diseño del barrilete es tal que durante su funcionamiento se origina un descenso de la presión en su interior.  La consiguiente succión del aire crea una ayuda adicional para hacer girar las paletas.  Los diseñadores alegan que es muy silencioso y que se necesita muy poco viento para que se ponga en marcha, lo que hace que sus paradas sean escasas. Si la velocidad del viento baja a sólo 2 metros por segundo la turbina seguirá funcionando.  Una turbina convencional necesita por lo menos el doble de velocidad para girar. Según una investigación llevada a cabo en la Universidad Técnica de Delft, Holanda, las turbinas basadas en el efecto Vénturi aprovechan mejor la velocidad del viento, y son un 40% más eficientes que las turbinas convencionales del mismo diámetro.

Actualmente se vende en tamaños de 1 y 2 metros de diámetro, con el fin de que pueda ser instalada fácilmente en un mástil o en el tejado de una vivienda urbana. Se reporta que en lugares donde el viento sopla relativamente fuerte (unos 7 metros por segundo) el barrilete de 1 metro de diámetro genera más de 500 kwh en un año[1], mientras que para el de dos metros la cifra sube hasta 1750 kwh.  Esa energía es un buen complemento para el hogar, ya que una vivienda convencional gasta en promedio unos  10000 kwh al año.  Esto podría ser suficiente para garantizar toda la iluminación utilizando lámparas fluorescentes compactas de alta eficiencia.  Sin embargo, hay dos condiciones a cumplir para poder instalar un barrilete; debe estar situado por lo menos a 12 metros sobre el suelo (la altura de un edificio de 3 pisos aproximadamente) y lejos de árboles o edificios que bloqueen el paso del viento.