Fundamentos de la Energía Eólica: Teoría de Betz, Coeficientes Cp y Ct, y Velocidades Clave del Viento

Recurso Eólico y Características Fundamentales del Viento

La energía absorbida teórica por el aerogenerador es la diferencia de la energía cinética de la corriente antes y después del paso por el rotor.

Características Determinantes del Viento

Existen tres componentes del viento que determinan su energía disponible:

• La velocidad: Es crucial, ya que la potencia depende del cubo de la velocidad del viento.
• La dirección del viento.
• La densidad del aire (en menor grado).

Densidad del Aire

La densidad del aire disminuye con la altura. Otros dos factores que se estudian son la variación de la presión y la temperatura con la altura.

Dirección Predominante y Diseño del Parque Eólico

La dirección predominante que marcará el diseño del parque eólico es la definida por la rosa de vientos de energía. Las alineaciones de aerogeneradores se orientan de forma perpendicular a la dirección de mayor componente energética.

Un emplazamiento con muchas direcciones predominantes implicará, generalmente, un mayor desgaste en los sistemas de orientación de la máquina que uno con una o dos direcciones definidas.

Teoría de Betz: Fundamentos Ideales

Los supuestos ideales en los que se basa la fórmula de Betz son:

• Las palas trabajan sin fricción alguna.
• Las líneas de corriente que definen el volumen de control separan perfectamente el flujo de aire perturbado del no perturbado.
• La presión estática en puntos suficientemente alejados del rotor (secciones 1 y 2) coincide con la presión estática de la corriente libre no perturbada.
• La fuerza desarrollada por unidad de área a lo largo del rotor es constante.
• El rotor no induce rotación alguna en la estela de la salida.
• El fluido es ideal e incompresible.

Coeficiente de Potencia (Cp)

El Cp sirve para caracterizar el rendimiento con que funciona una máquina. Depende, por una parte, del diseño de la máquina y es un dato aportado por el fabricante en la curva de potencia. El Cp determina la potencia aprovechable en un emplazamiento eólico.

Principales Velocidades del Viento Aplicadas a la Energía Eólica

Existen tres velocidades críticas que definen el funcionamiento operativo de un aerogenerador:

Velocidad de Conexión

Es la velocidad del viento por encima de la cual se genera energía. Por debajo de esta velocidad, toda la energía extraída del viento se gastaría en pérdidas y no habría generación neta de energía.

Velocidad Nominal

Es la velocidad del viento para la cual la máquina eólica alcanza su potencia nominal. Por encima de esta velocidad, la potencia extraída del viento se puede mantener constante.

Velocidad de Desconexión

Es la velocidad del viento por encima de la cual la máquina eólica se detiene (se para) por seguridad.

Coeficiente de Empuje (CT)

El CT describe el comportamiento del aire que atraviesa el rotor del aerogenerador. Este coeficiente varía con la velocidad del viento:

• A velocidades de viento bajas, los coeficientes de empuje son altos porque el viento tiene poca fuerza y se dispersa con facilidad al atravesar el rotor.
• Por el contrario, a velocidades de viento altas, el viento lleva más fuerza y es más difícil de dispersar al atravesar el rotor del aerogenerador.

Los coeficientes de empuje vienen determinados por el propio diseño del aerogenerador.