Las turbinas eólicas pequeñas , también conocidas como microturbinas eólicas o turbinas eólicas urbanas , son turbinas eólicas que generan electricidad para uso a pequeña escala . Estas turbinas suelen ser más pequeñas que las que se encuentran en los parques eólicos . Las turbinas eólicas pequeñas suelen tener sistemas de orientación pasivos en lugar de activos. Utilizan un generador de accionamiento directo y utilizan una aleta de cola para apuntar hacia el viento, mientras que las turbinas más grandes tienen trenes de potencia con engranajes que apuntan activamente hacia el viento.
Por lo general, producen entre 500 W y 10 kW, y algunos tan pequeños como 50 W. La Asociación Canadiense de Energía Eólica considera turbinas eólicas pequeñas como aquellas de hasta 300 kW, [1] mientras que la norma IEC 61400 las define como aquellas con un área de rotor menor a 200 m 2 y que generan un voltaje inferior a 1000 Vca o 1500 Vcc.
Las palas de las turbinas eólicas de pequeña escala suelen tener entre 1,5 y 3,5 metros (4 pies 11 pulgadas - 11 pies 6 pulgadas) de diámetro y producen entre 0,5 y 10 kW a su velocidad óptima del viento. [1] La mayoría de las turbinas eólicas pequeñas son turbinas eólicas de eje horizontal , [2] pero las turbinas eólicas de eje vertical (VAWT) pueden tener beneficios en el mantenimiento y la ubicación, aunque son menos eficientes en la conversión del viento en electricidad. [3] Para optimizar la eficiencia, la relación de velocidad de la punta (la relación entre la velocidad de la punta de la pala y la velocidad del viento) y la relación sustentación-arrastre deben mantenerse en niveles óptimos.
Existe una variedad de materiales sintéticos, incluidos polímeros reforzados con fibra de carbono, nanocompuestos [4] y poliéster-vidrio E. [5] Aunque las fibras naturales son susceptibles a variaciones de calidad, alta absorción de humedad y baja estabilidad térmica que las hacen indeseables para palas más grandes, las turbinas pequeñas aún pueden aprovecharlas. [6] Se puede utilizar madera, y el tipo de madera debe elegirse en función de la disponibilidad, el costo y el tiempo de crecimiento, la densidad promedio, la alta rigidez y la tensión de rotura. Los recubrimientos se utilizan generalmente para reducir la humedad, y se ha descubierto que el esmalte blanco con imprimación es particularmente eficaz. [7] La pícea de Sitka (utilizada en hélices) y el abeto de Douglas se han utilizado en las palas de turbinas. [8] Nepal ha utilizado turbinas de palas pequeñas hechas de madera revestida, incluidas las maderas de sal , saur , sisau , uttish , tuni , okhar , pino y lakuri. [9] Además de la madera, los compuestos a base de bambú también se pueden utilizar en turbinas eólicas grandes y pequeñas debido a su baja densidad y capacidad de secuestro de carbono , lo que hace que los materiales de bambú sean respetuosos con el medio ambiente. Además, en relación con la madera, el bambú tiene mayor tenacidad a la fractura, mayor resistencia, menores costos de procesamiento y una tasa de crecimiento rápida. Los desarrollos de materiales en curso incluyen laminados de bambú que utilizan resinas y materiales híbridos de fibra de carbono y bambú. [10] El cáñamo, el lino, la madera y el bambú son todos materiales candidatos para las palas de turbinas pequeñas. [11]
Las turbinas eólicas pequeñas deben alcanzar una determinada velocidad del viento, denominada velocidad de arranque, para empezar a generar electricidad. Esta velocidad suele rondar los 4 metros por segundo (8,9 mph), [12] pero algunas turbinas pueden funcionar a velocidades más bajas. [13] Para evitar obstáculos, las turbinas suelen colocarse en torres al menos 9 m (30 pies) por encima de cualquier cosa que se encuentre en un radio de 150 m (490 pies). [14] Las mejores ubicaciones para las turbinas están lejos de los grandes obstáculos en contra del viento, ya que los estudios en túneles de viento muestran que los efectos negativos significativos de los obstáculos cercanos pueden extenderse hasta 80 veces la altura del obstáculo en contra del viento, [15] aunque este es un caso extremo. Otra opción para colocar una turbina pequeña es utilizar un modelo basado en mediciones reales del viento para predecir cómo los obstáculos cercanos afectarán las condiciones locales del viento en la posible ubicación de la turbina, teniendo en cuenta el tamaño, la forma y la distancia a los obstáculos. [16]
Las turbinas de pequeña escala para techos se pueden instalar en un tejado, pero pueden enfrentar problemas como vibraciones y turbulencias causadas por el borde del tejado, que pueden afectar su generación de energía. Estas turbinas suelen tener dificultades para generar cantidades significativas de energía, en particular en áreas urbanas. [17]
Los generadores para aerogeneradores pequeños suelen ser generadores de corriente alterna trifásica y la tendencia es utilizar el tipo de inducción , aunque algunos modelos utilizan generadores monofásicos o de salida de corriente continua . [18] [19]
Después de pasar el cable de CA trifásico a través de un anillo colector y hasta el extremo receptor, se utiliza un rectificador trifásico para convertir la CA en CC rectificada para cargar la batería, especialmente en sistemas de energía solar híbrida . El rectificador debe montarse en un disipador de calor para enfriar, con la opción de agregar un ventilador de computadora que se activa mediante un interruptor térmico bimetálico para enfriar activamente.
El extremo de CC del rectificador se conecta entonces a las baterías. Esta conexión debe ser lo más corta posible para evitar pérdidas de potencia, normalmente con un vatímetro digital en derivación en el medio para realizar el seguimiento. Las baterías se conectan entonces a un inversor de potencia , que convierte la energía de nuevo en CA a una frecuencia constante para la conectividad a la red y el uso final.
El frenado dinámico es una técnica que se utiliza para regular la velocidad de una turbina mediante la descarga del exceso de energía a través de una carga resistiva durante vientos fuertes para evitar daños. El controlador, que se activa cuando las baterías alcanzan un determinado voltaje, enciende la carga mediante un solenoide o un relé de estado sólido , este último con el beneficio adicional de "abrirse en caso de fallo". El ajuste adecuado del controlador es importante para evitar oscilaciones parásitas , lo que se puede lograr mediante una función de retardo o utilizando un controlador de carga PWM estándar con una función de desviación.
En los casos en que el cableado esté expuesto a los elementos, se deben utilizar cables resistentes a la radiación ultravioleta y a las fluctuaciones de temperatura, como los cables solares . El calibre del cable en todo el sistema debe ser adecuado para la cantidad de corriente que circula por él. La resistencia del cable, que aumenta linealmente con su longitud, no debe crear una caída de tensión que supere el 2-5 % de la caída de tensión total.
En julio de 2012 entró en vigor una nueva tarifa de alimentación aprobada por el Ministro de Industria japonés Yukio Edano, que promete impulsar la producción de energía eólica y solar del país. El país pretende aumentar la inversión en energía renovable en parte como respuesta a la crisis de radiación de Fukushima en marzo de 2011. [20] La tarifa de alimentación se aplica a los paneles solares y a las pequeñas turbinas eólicas y exige que las empresas de servicios públicos recompren la electricidad generada a partir de fuentes de energía renovable a tarifas establecidas por el gobierno.
La energía eólica a pequeña escala (turbinas de menos de 20 kW de capacidad) recibirá un subsidio de al menos 57,75 JPY (alrededor de 0,74 USD por kWh). [21]
Las propiedades en zonas rurales o suburbanas del Reino Unido pueden optar por una turbina eólica con inversor para complementar la energía de la red local. El Sistema de Certificación de Microgeneración (MCS) del Reino Unido ofrece tarifas de alimentación a los propietarios de pequeñas turbinas eólicas calificadas. [22]
En 2008, las pequeñas turbinas eólicas con capacidades de 100 kW o menos añadieron un total de 17,3 MW de capacidad de generación en los EE.UU., según la Asociación Estadounidense de Energía Eólica (AWEA). Este crecimiento representó un aumento del 78% en el mercado interno de pequeñas turbinas eólicas. El "Estudio del mercado mundial de pequeñas turbinas eólicas de 2009" de la AWEA atribuyó el aumento a mayores volúmenes de fabricación, gracias a la inversión privada que financió las ampliaciones de las plantas, y al aumento de los precios de la electricidad y la conciencia pública de las tecnologías eólicas que impulsaron las ventas residenciales.
En 2019, gran parte de la demanda estadounidense de pequeñas turbinas eólicas fue para la generación de energía en ubicaciones remotas y con fines de evaluación de sitios para instalaciones de energía eólica a gran escala. [23]
La industria de energía eólica a pequeña escala de Estados Unidos también se beneficia del mercado global, ya que controla aproximadamente la mitad de la cuota de mercado mundial. Los fabricantes estadounidenses se llevaron 77 millones de dólares de los 156 millones que se gastaron en todo el mundo en instalaciones de turbinas eólicas a pequeña escala. En 2008 se instaló en todo el mundo un total de 38,7 MW de capacidad de energía eólica a pequeña escala. [24]
En Estados Unidos, las turbinas eólicas residenciales con potencias de 2 a 10 kW suelen costar entre 12.000 y 55.000 dólares una vez instaladas ( 6 dólares por vatio), aunque hay incentivos y descuentos disponibles en 19 estados que pueden reducir el precio de compra para los propietarios de viviendas hasta en un 50 por ciento, a 3 dólares por vatio. [25] El fabricante estadounidense Southwest Windpower estima que una turbina se amortiza en ahorros de energía en un plazo de 5 a 12 años. [26] [27]
Los modelos dominantes en el mercado, especialmente en Estados Unidos, son las turbinas eólicas de eje horizontal . [ cita requerida ]
Para que los consumidores puedan tomar una decisión informada al comprar una turbina eólica pequeña, la IEA Wind Task 27 ha desarrollado un método de etiquetado para el consumidor en colaboración con IEC TC88 MT2. En 2011, la IEA Wind publicó una práctica recomendada que describe las pruebas y los procedimientos necesarios para aplicar la etiqueta. [28]
Croacia es un mercado ideal para las turbinas eólicas pequeñas debido al clima mediterráneo y a las numerosas islas sin acceso a la red eléctrica. En los meses de invierno, cuando hay menos sol pero más viento, las turbinas eólicas pequeñas son una gran incorporación a los emplazamientos de energía renovable aislados ( GSM , estaciones, puertos deportivos, etc.). De esa manera, la energía solar y eólica proporcionan energía constante durante todo el año.
En Alemania, la tarifa de alimentación para los aerogeneradores pequeños siempre ha sido la misma que para los grandes aerogeneradores. Esta es la razón principal por la que el sector de los aerogeneradores pequeños en Alemania se ha desarrollado lentamente. En cambio, las pequeñas instalaciones fotovoltaicas en Alemania se beneficiaban de una tarifa de alimentación elevada, a veces superior a los 50 céntimos de euro por kilovatio hora.
En agosto de 2014 se modificó la ley alemana de energías renovables, que también afectó a las tarifas de alimentación de los aerogeneradores. Para el funcionamiento de un aerogenerador pequeño con una potencia inferior a 50 kilovatios, la tarifa asciende a 8,5 céntimos de euro durante un periodo de 20 años.
Debido a las bajas tarifas de alimentación y a los altos precios de la electricidad en Alemania, el funcionamiento económico de una pequeña turbina eólica depende de un alto nivel de autoconsumo de la electricidad producida por la misma. Los hogares privados pagan de media 35,7 céntimos de euro por kilovatio hora de electricidad (IVA incluido del 19 %). [30]
En el marco de la ley alemana sobre energías renovables de 2014, en agosto de 2014 se introdujo una tasa sobre la electricidad autoconsumida. La normativa no se aplica a las pequeñas centrales eléctricas con una capacidad inferior a 10 kilovatios. La tasa, de 1,87 céntimos de euro, es reducida. [31]
Algunos aficionados han construido turbinas eólicas a partir de kits, componentes de origen o desde cero. Las turbinas eólicas caseras suelen ser turbinas más pequeñas (de tejado) de aproximadamente 1 kW o menos. [32] [33] [34] [35] Estas pequeñas turbinas eólicas suelen ser torres inclinadas o fijas/ arriostradas . [36] [37]
La construcción de turbinas eólicas por cuenta propia o DIY se ha popularizado gracias a revistas como OtherPower y Home Power . [38]
Organizaciones como Practical Action han diseñado turbinas eólicas caseras que pueden ser construidas fácilmente por comunidades de países en desarrollo y están suministrando documentos concretos sobre cómo hacerlo. [39] [40]
Los diseños de pequeñas turbinas eólicas caseras se remontan a principios de la década de 1970 y fueron desarrollados aún más por el movimiento de regreso a la tierra de fines de esa década en Estados Unidos y Europa. [41]
Las pequeñas turbinas eólicas fabricadas localmente, al ser de pequeña escala, de bajo costo, socialmente integradas, adaptables a los contextos locales y basadas en el intercambio abierto de conocimientos, se han enmarcado o asociado con las perspectivas de tecnología apropiada o intermedia , tecnología convivencial, decrecimiento , diseño abierto y fabricación abierta .
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