¿Por qué no múltiples cuchillas?
Las turbinas de viento están construidas para captar la energía cinética (de movimiento) del viento. Surge la pregunta de por qué las turbinas eólicas modernas no se construyen con una gran cantidad de palas de rotor, como los antiguos molinos de viento «americanos». Las turbinas con muchas palas o palas muy anchas, es decir, las turbinas con un rotor muy sólido, sin embargo, estarán sujetas a fuerzas muy grandes, cuando el viento sopla a una velocidad de huracán (recuerde que el contenido de energía del viento del viento varía con la tercera potencia de la velocidad del viento).
Los fabricantes de turbinas eólicas tienen que certificar que sus turbinas están construidas, de modo que puedan soportar vientos extremos que ocurren, por ejemplo, durante 10 minutos una vez cada 50 años. Para limitar la influencia de los vientos extremos, los fabricantes de turbinas generalmente prefieren construir turbinas con unas pocas palas largas y estrechas. Para compensar la estrechez de las palas frente al viento, los fabricantes de turbinas prefieren dejar que las turbinas giren con relativa rapidez.
¿Por qué no un número par de cuchillas?
Los ingenieros de aerogeneradores modernos evitan construir máquinas grandes con un número par de palas de rotor. La razón más importante es la estabilidad de la turbina. Un rotor con un número impar de palas de rotor y al menos tres palas puede considerarse similar a un disco al calcular las propiedades dinámicas de la máquina.
Un rotor con un número par de palas dará problemas de estabilidad para una máquina con una estructura rígida. La razón es que en el mismo momento en que la hoja superior se dobla hacia atrás, porque obtiene la máxima potencia del viento, la hoja más baja pasa a la sombra del viento en frente de la torre.
La mayoría de las turbinas eólicas modernas utilizadas para generar electricidad tienen tres palas, aunque algunas tienen dos o incluso una. Tres palas tienen la ventaja particular de que el momento polar de inercia con respecto al guiñado es constante y es independiente de la posición acimut del rotor. Esta característica contribuye a un funcionamiento relativamente suave incluso mientras bosteza. Un rotor de dos palas, sin embargo, tiene un momento de inercia más bajo cuando las palas son verticales que cuando son horizontales. Este «desequilibrio» es una de las razones por las que la mayoría de las turbinas eólicas de dos palas utilizan un rotor tambaleante. El uso de más de tres palas también podría dar lugar a un rotor con un momento de inercia independiente de la posición, pero rara vez se usan más de tres palas. Esto se debe principalmente a los costos más altos que se asociarían con las cuchillas adicionales.
El concepto danés de 3 palas
La mayoría de las turbinas eólicas modernas son diseños de tres palas con la posición del rotor mantenida ceñida al viento (en el lado ventoso de la torre) utilizando motores eléctricos en su mecanismo de guiñada. Este diseño se suele llamar el concepto danés clásico y tiende a ser un estándar con el que se evalúan otros conceptos. La gran mayoría de las turbinas que se venden en los mercados mundiales tienen este diseño.
El diseño básico se introdujo por primera vez con el famoso aerogenerador Gedser. Otra característica es el uso de un generador asíncrono.
Concepto de dos palas
Los diseños de aerogenerador de dos palas tienen la ventaja de ahorrar el costo de una pala del rotor y su peso, por supuesto. Sin embargo, tienden a tener dificultades para penetrar en el mercado, en parte porque requieren una mayor velocidad de rotación para producir la misma producción de energía. Esta es una desventaja tanto en lo que respecta al ruido como a la intrusión visual. Últimamente, varios fabricantes tradicionales de máquinas de dos hojas han cambiado a diseños de tres hojas.
Las máquinas de dos y una palas requieren un diseño más complejo con un rotor con bisagras (buje oscilante) como se muestra en la segunda imagen, es decir, el rotor debe poder inclinarse para evitar golpes demasiado fuertes a la turbina cuando las palas del rotor pasan por la torre. Por lo tanto, el rotor se monta en un eje perpendicular al eje principal y que gira junto con el eje principal. Esta disposición puede requerir amortiguadores adicionales para evitar que la pala del rotor golpee la torre.
Concepto de una hoja
Existen turbinas eólicas de una hoja y ahorran el costo de otra hoja de rotor. Si se puede construir algo, los ingenieros lo harán. Sin embargo, los aerogeneradores de una sola hoja no están muy extendidos comercialmente, porque los mismos problemas que se mencionan en el diseño de dos hojas se aplican en mayor medida a las máquinas de una sola hoja.
Además de una mayor velocidad de rotación, y los problemas de ruido e intrusión visual, requieren que se coloque un contrapeso en el otro lado del cubo desde la pala del rotor para equilibrar el rotor (mira la segunda figura). Obviamente, esto anula el ahorro de peso en comparación con un diseño de dos hojas. El factor estético de la aparición de desequilibrio es otra consideración. La supuesta ventaja es, por lo tanto, que la turbina puede funcionar a una relación de velocidad de punta relativamente alta, y que el costo debería ser menor debido a la necesidad de una sola cuchilla.
Video frames
– Two blades: general explanation
– Three blades: general explanation