¿Por qué los aerogeneradores tienen 3 palas?

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El aerogenerador no es un invento reciente. La gente utiliza la fuerza del viento desde hace miles de años. Las primeras máquinas se utilizaban para triturar grano y bombear agua. Al principio, los aerogeneradores tenían muchas formas y diseños, pero más tarde la investigación dio lugar a un diseño de 3 palas.

Los aerogeneradores funcionan con la ayuda del viento. El aire en movimiento se denomina viento. Se crea por la diferencia de temperatura en la superficie terrestre. El aire caliente sube y el aire frío ocupa su lugar. Este proceso de movimiento del aire se denomina convección. El aire en movimiento contiene energía cinética. Esta energía cinética es utilizada por los aerogeneradores para convertirla en energía eléctrica.

Una vez que las palas giran, crean su propio viento en contra (como el que sentimos en la cara cuando vamos en bicicleta). La velocidad de este viento adicional ayuda a reducir la presión en la cara posterior de la pala y contribuye a aumentar aún más la sustentación. Esto hace que la pala gire más rápido y produzca más viento en contra. El efecto neto es que las palas de una turbina giran más rápidamente hasta alcanzar su velocidad máxima.

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Generar energía a partir del viento para realizar un trabajo no es nada nuevo.  Por ejemplo, en Irán se siguen utilizando molinos de viento de 1.000 años de antigüedad 1. Estas tecnologías han evolucionado desde simples máquinas utilizadas para bombear agua y triturar grano hasta el diseño estándar de 3 aspas que se utiliza hoy para generar electricidad.    La electricidad se produce cuando el viento hace que cada pala del rotor añada una fuerza que hace girar un eje que hace girar un imán a través de una bobina de cables.

¿Son mejores más palas?  Efectivamente, un mayor número de palas aumenta la fuerza de rotación del rotor y produce más electricidad.  Pero hay que tener en cuenta que las palas del rotor son una de las piezas más caras de un aerogenerador, ya que suponen el 20% de su coste material 2. Un aerogenerador de 2,5 MW puede costar 2 millones de dólares.  Añadir otra pala pesada también requeriría costosas mejoras estructurales. Un rotor del emplazamiento de Tucannon de PGE (modelo SWT2.3-108) pesa 60 toneladas y cada pala mide 53 metros de largo.  Además, más palas no añaden más potencia en la misma proporción.  Dos palas son un 10% más eficientes que una sola y tres sólo un 5% más que dos.  Cuatro palas añadirán una ganancia marginal aún menor en eficiencia, pero a un coste enorme.  El análisis de costes y beneficios demostrará que el peso adicional, el dinero y la disminución del rendimiento no merecen la pena desde el punto de vista económico 3.  PD: Las razones por las que utilizamos un sistema eléctrico trifásico en lugar de más o menos fases se deben a consideraciones económicas similares y a la ley de los rendimientos decrecientes.

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La respuesta rápida es que un aerogenerador de dos palas ya es estupendo por su gran eficiencia. Con dos palas se necesitan muchos menos costes de material, construcción y mantenimiento. Una tercera o cuarta pala hace que el aerogenerador sea marginalmente más eficiente, mientras que los costes de construcción y material aumentan considerablemente. Las cuatro palas de nuestros molinos de viento históricos eran más bien una opción práctica.

Albert Betz formuló en 1919 la ley según la cual un rotor ideal puede extraer un máximo del 59% de la energía del viento. Si se obtiene más energía del viento, éste se ralentiza más, lo que reduce el suministro de viento a la turbina. Un rotor ideal tiene unas palas infinitamente estrechas, pero según un documento que Siemens elaboró en 2007 en el que aborda nuestra pregunta, se afirma que los modernos aerogeneradores de tres palas llegan al 80% del límite de Betz gracias a un diseño inteligente de las palas y a una velocidad de rotación bien elegida; una turbina de dos palas lograría un 5% menos de eficiencia, pero tendrá un mayor rendimiento de la inversión por los menores costes.

Comentarios

Si el objetivo de un aerogenerador es capturar el viento, ¿no capturarían más viento cinco palas que tres? ¿Y captar más viento no se traduciría en generar más electricidad?

La respuesta depende de lo que se entienda por captar viento. l objetivo de una turbina de generación eléctrica no es exactamente captar la mayor cantidad de viento posible. Es capturar el viento con la mayor eficiencia. Y los ingenieros han descubierto que tres palas es la forma más eficiente y menos problemática de captar el viento.

Las turbinas de una o dos palas son aún más eficientes. Pero como también son más ligeras y tienden a girar más rápido, también son más ruidosas. Además, estos diseños requieren un buje basculante especial que actúa como una especie de amortiguador, lo cual es caro.Por otra parte, tener más de tres palas plantea otros problemas. Por un lado, el material adicional necesario para construir las palas aumenta el coste. Y cuantas más palas haya, más ligeras y finas tendrán que ser. Las palas relativamente finas son más flexibles, por lo que tienden a doblarse y romperse.