Fundamentos de la Energía Eólica: Circulación del Aire, Aerodinámica y Eficiencia de Aerogeneradores

La Circulación del Aire en la Tierra

La principal causa del viento es la variación de presión en el aire, aunque influyen otras fuerzas como la gravedad o el rozamiento. Existen dos grandes tipos de circulación:

Circulación a Escala Planetaria

• Las diferencias de temperatura entre el ecuador y los polos provocan que el aire de las zonas cálidas ascienda a las capas altas de la atmósfera. Allí es desplazado por el aire frío de los polos.
• El aire cálido es desplazado hacia los polos por las zonas altas de la atmósfera, completando así la circulación.
• Como consecuencia de la rotación de la Tierra, en el hemisferio norte el movimiento del aire en las capas altas de la atmósfera tiende a desviarse hacia el este y en las capas bajas hacia el oeste. En el hemisferio sur ocurre el efecto contrario.
• Este patrón se complementa con la formación de anticiclones y borrascas.

Circulación a Escala Local

• El movimiento de conjunto se ve perturbado por la diferencia entre la capacidad calorífica de las masas terrestres y oceánicas.
• Durante el día, el agua de los océanos se encuentra más fría que la superficie de la tierra. Las aguas absorben buena parte del calor emitido por el sol y, por tanto, las capas más bajas de aire apenas cambian de temperatura.
• Durante la noche, el proceso se invierte: el aire en contacto con el agua mantiene su temperatura, y es el aire fresco de la costa el que fluye hacia el mar.

Fuerzas Aerodinámicas en Turbinas Eólicas

Las turbinas eólicas capturan la energía del viento mediante dos procedimientos principales: el empuje que el aire ejerce sobre ellas y la fuerza de sustentación.

• La fuerza de sustentación se basa en un efecto aerodinámico por el cual, en un perfil de pala, la velocidad del fluido (aire) que circula por la parte superior de la pala es mayor que el que circula por la parte inferior.
• Esta diferencia de velocidades genera una diferencia de presiones: una depresión en la parte superior y una sobrepresión en la inferior, lo que produce una fuerza de sustentación hacia arriba.

Captación de la Energía Eólica: El Rotor

El elemento que permite captar la energía cinética del aire para transformarla en energía mecánica de rotación se denomina rotor. Pueden ser de eje vertical u horizontal; hoy día, la mayor parte de los dispositivos son de eje horizontal.

Los principales parámetros para conocer las características y el comportamiento de un rotor son la velocidad típica, la solidez y el rendimiento aerodinámico:

1. La velocidad típica, también denominada coeficiente de rotación, es la relación entre la velocidad de la punta de la pala y la velocidad del viento, y nos proporciona un indicio de lo rápida o lenta que es la máquina eólica. Cuando la velocidad típica es baja, el rotor se clasifica como lento; cuando es superior a 5, el rotor es rápido.
2. La solidez es la relación entre la superficie proyectada por las palas y la superficie que describen en su movimiento de rotación.
3. El rendimiento aerodinámico es el parámetro más significativo e importante de una pala. Expresa la parte de la energía del viento que se transforma en energía mecánica útil; es el cociente entre la fuerza de sustentación y la de arrastre o empuje del aire. El rendimiento aerodinámico depende de la geometría de la pala.

Potencia y Pérdidas del Aerogenerador

La extracción y conversión de energía en un aerogenerador está sujeta a diversas limitaciones y pérdidas:

1. Una primera limitación viene marcada por el límite de Betz, que acota la cantidad máxima de potencia que podemos extraer de la masa de aire.
2. Cuando las hélices giran, experimentan un rozamiento con el aire que causa pérdidas por fricción. Estas no suelen ser menores al 10%, y para generadores de 1 MW, pueden llegar a ser del 44%.
3. El movimiento de la máquina produce una serie de pérdidas mecánicas en los rodamientos del eje, en el grupo multiplicador, etc.
4. El generador tiene también un cierto porcentaje de pérdidas en la conversión de la energía mecánica que entra en él en energía eléctrica.
5. Existen pérdidas en los componentes electrónicos de conversión de potencia y el cableado.
6. Finalmente, se producen pérdidas por factores externos y operativos, como la desorientación de la góndola con respecto al viento, la sombra producida por la torre, o el deterioro de las palas a lo largo del periodo de operación de la turbina.