Un aerogenerador és una màquina que permet transformar l'energia cinètica del vent en energia elèctrica. Històricament s'ha aprofitat l'energia del vent per diferents usos, entre els quals cal destacar els molins de vents que eren utilitzats en diferents zones per moldre gra i obtenir farina. A causa del baix preu d'altres fonts d'energia, els molins de vent es van anar abandonant, fins que darrerament la preocupació per medi ambient, i per l'efecte hivernacle han fet augmentar molt l'interès per les energies renovables, recuperant energies pràcticament abandonades com l'energia eòlica.
En el cas dels aerogeneradors la força del vent és captada per un rotor, que transforma l'energia cinètica del vent en energia mecànica giratòria de l'eix principal. Mitjançant una caixa d'engranatges, anomenada multiplicador, es transforma la velocitat de l'eix principal a la velocitat de gir adequada pel generador elèctric,[1] habitualment un generador asíncron, que al seu torn transforma l'energia mecànica en energia elèctrica de corrent altern. Com que el vent és molt variable, un dels elements més importants d'aquestes màquines és el control tant de la potència com de les revolucions a què gira el generador, ja que perquè el corrent elèctric generat pels aerogeneradors es pugui aportar a la xarxa és necessari que la seva freqüència estigui perfectament sincronitzada amb la de la xarxa elèctrica que a l'estat espanyol és de 50 Hz.
L'energia cinètica de l'aire () depèn del quadrat de la velocitat de l'aire () i de la seva densitat ():
La potencia, en vats por unitat de superfície, es pot expressar com:
Per tant, la potencia eòlica a la que estarà exposada una turbina es determina multiplicant l'anterior expressió per l'àrea d'escombrat de la turbina, que es el cercle que abasten les aspes.[2]
Tanmateix, no tota la potencia del aire pot ser aproitada per l'aerogenerador. El límit de potència que es pot extraure està donat pel límit establert pel físic Albert Betz. El límit, que lleva el seu nom, se deriva de la conservació de la massa i del moment d'inèrcia del fluxe d'aire. El límit de Betz indica que una turbina no pot aprofitar mes de un 59.3 % de l'energia cinètica del vent. El número (0.593) se'l coneix como el coeficient de Betz.
Els aerogeneradors moderns obtenen entre un 75 % a un 80 % del límit de Betz.[3] Un dels factors que mes influeix en que no s'arribi al 100 % del límit de Betz és la rugositat del sol, que és influïda per la presència de vegetació o edificacions en el sol, que redueixen la velocitat del vent i augmenten las turbulències de l'aire, per això, una major altura del rotor i la instal·lació en el mar (offshore) contribueixen a un millor aprofitament de l'energia de l'aire.
El seu origen data de començaments del segle XX i deuen el seu nom al seu creador l'enginyer finlandès Sigurd J. Savonius. Els generadors del tipus Savonius són d'eix vertical i normalment de baixa potència.[4] Encara que tenen un baix rendiment a causa de la seva simplicitat són molt utilitzats per subministrar energia a aparells molt aïllats i de poc consum. La seva construcció és molt simple consta de dos semicilindres col·locats en forma de S. El seu funcionament també és simple, la part còncava recull la força del vent, mentre que l'altre semicilindre dona la cara convexa que té menys resistència al vent i d'aquesta forma el vent fa girar el rotor i aquest, el generador, que normalment es troba a la part inferior.
Els aerogeneradors Darrieus estan basats en el rotor d'eix vertical desenvolupat per l'enginyer francès Georges Darrieus. Aquests rotors presenten la particularitat que no s'engeguen sols. Cal donar-los una velocitat inicial mitjançant un motor o rotors Savonius acoblats. Pel seu aspecte, en els països de parla anglesa se'l coneix per l'eggbeater, és a dir, la batedora.[5]
És un sistema relativament bo, ja que té un elevat rendiment i no necessita cap mecanisme d'orientació. Però encara que és fàcil el manteniment del generador, ja que es troba a la base, la dificultat de construcció i de control davant de grans vents ha fet que la seva construcció pràcticament s'abandonés. El generador Darrieus més gran construït mai es troba a Cap-Chat (Canadà) amb una alçària de 110 m, i una potència de 4 MW; però, una gran ventada l'any 1992 el va avariar i resta al lloc com a monument visitable.[6]
Format per un disc o platet adaptat a l'eix del rotor en angle, i amb un contrapès es mou per les alteracions que provoca l'aire en xocar contra aquest.[7]
És el model que s'ha estès més. Consisteix en una hèlix, generalment amb tres pales, unides a un eix horitzontal que transmet l'energia fins a un multiplicador que augmenta les revolucions perquè aquest moviment rotacional pugui ésser aprofitat pel generador i transformat en energia elèctrica.
L'interval de velocitats de vent en què un aerogenerador funciona comença amb l'anomenada velocitat de connexió, que acostuma a ser d'uns 3 m/s i arriba fins a la velocitat de vent màxima o de tall, que acostuma a ser d'uns 24 m/s, a partir de la qual l'aerogenerador s'atura.
La potència màxima d'un aerogenerador normalment s'obté a partir d'una velocitat relativament baixa, sobre els 14 m/s, que seran els vents més habituals a la zona i aquesta potència màxima es manté fins a la velocitat de tall. Amb vents més forts el control de potència orienta les pales amb el vent de forma que l'aerogenerador s'atura amb la mateixa acció del vent, ja que si l'aparell continués girant amb vents més forts es posaria en compromís la seva seguretat. Per aconseguir tot això és molt important el control de potència que es realitza mitjançant l'anomenat control de potència per pas variable.
Consisteixen en una base anclada al terra amb un nucli connectat a un màstil superior que es balanceja lleugerament per l'efecte de despreniment de vèrtexs. Avui en dia són una opció encara poc coneguda i implantada tot i que tenen una afectació menor sobre les aus, una bona rendibilitat en quant a cost de l'energia segons el cost de producció y rendiment i una disminució notable de l'efecte estela front els aerogeneradors de pales o molins el que permet la instal·lació d'un major número de dispositius per igual superfície.[8]
Normalment està format per tres pales que s'uneixen a l'eix per mitjà de la boixa. És una component fonamental de l'aerogenerador, ja que és l'element encarregat d'extreure l'energia de l'aire. També tenen molta importància els mecanismes situats a la boixa que canvien l'angle de les aspes de l'hèlix en funció de la intensitat del vent, ja que són els encarregats de controlar la velocitat de gir i frenar el rotor en cas de vents excessivament forts que podrien malmetre els elements de l'aerogenerador.
És l'element construït d'un material lleuger situat al damunt de la columna i que conté els mecanismes mecànics, elèctrics i de control d'un aerogenerador, d'entre els quals cal destacar:
El multiplicador és una caixa d'engranatges que consta generalment de tres etapes planetàries i d'eixos paral·lels. A partir de principis del segle xxi els aerogeneradors assoleixen potències superiors al megawatt (1000 kW), cosa que s'aconsegueix amb rotors de diàmetres superiors als 70 metres. Atès que la velocitat de punta de la pala queda limitada per problemes aerodinàmics i de soroll, la velocitat de rotació de l'eix principal és per als aerogeneradors moderns cada vegada més lenta. Els generadors asíncrons estàndards tenen tres parells de pols i han de girar a una velocitat constant per produir corrent altern a una freqüència constant, essent per la freqüència usada a Europa de 50 Hz, de 1500 rpm i per als EUA, amb una freqüència de 60 Hz, de 1800 rpm.[9] En conseqüència, la relació del multiplicador és cada vegada més elevada, al voltant de 100 per a màquines de 2MW. Això fa que els multiplicadors incorporin una o dues etapes planetàries, que poden produir relacions més altes.
Aquesta evolució queda significativament desviada amb l'aparició dels aerogeneradors de velocitat variable en els que el sistema de control se serveix d'un convertidor de potència per produir electricitat a 50Hz amb independència, dins d'uns marges, de la velocitat de l'eix del generador.
Un dels elements més importants en aquests generadors és el control de potència, ja que estén parlant de màquines molt grans i lògicament situades en llocs molt exposats a la força del vent. També és important obtenir, del vent, el màxim rendiment possible, per la qual cosa no s'ha d'obtenir la màxima potència que hauria de ser d'uns 14 m/s. Per realitzar aquest control s'han desenvolupat tres sistemes:
En comparació amb altres fonts de producció d'energia, les instal·lacions eòliques queden més ben posicionades en relació a les repercussions ambientals, donat que no provoquen la generació de substàncies tòxiques, residus sòlids, pluja àcida o l'emissió de gasos responsables de l'efecte d'hivernacle, a més d'utilitzar menys recursos que les altres fonts de producció d'energia.[10]
El desenvolupament dels aerogeneradors s'ha anat aplaçant per les objeccions en relació al seu impacte ambiental i paisatgístic en l'entorn, en relació a les alteracions al medi físic, o les degudes a l'ocupació del territori i la construcció. Per disminuir l'impacte ambiental i aprofitar millor les instal·lacions de transformació i d'evacuació de l'energia elèctrica, els aerogeneradors s'agrupen en els anomenats parcs eòlics, que tenen igualment detractors pel seu impacte paisatgístic.[11]
El 80% de les aus que viuen a prop d'aerogeneradors tenen risc de morir per xocar contra les aspes,[12] però els animals s'acostumen ràpidament al moviment de les aspes, i les aus migratòries desvien la seva trajectòria.[10] Uns investigadors noruecs de l'Institut Noruec d'Investigació sobre la Naturalesa han descobert que es pot reduir en un 70% el risc de mort d'aquestes aus si es pinta una aspa de color negre dels aerogeneradors,[13] i pintar patrons visuals concèntrics en forma d'ulls a prop de la base pot reduir el nombre d'ocells a prop dels aerogeneradors.[14]