La energía eólica es una energía tradicional cuyo aprovechamiento data de las épocas remotas de la humanidad. Se ha aplicado en la navegación a vela, para moler grano en molinos o para bombear agua.

El uso de esta energía se desarrolló en primer lugar en China y Persia con molinos de eje vertical. Hacia el siglo VIII aparecieron en Europa, procedentes del este, grandes molinos de eje horizontal con cuatro aspas y a partir del siglo XI, aparecen en la zona mediterránea molinos con rotores a vela, que derivan en los típicos molinos manchegos y mallorquines.

Es a partir de los siglos XII-XIII cuando empieza a generalizarse el uso de los molinos de viento para la elevación de agua y la molienda de grano.

En la segunda mitad del siglo XIX cuando tiene lugar uno de los más importantes avances en la tecnología del aprovechamiento del viento: la aparición del molino "multipala americano". Sin embargo, el desarrollo de los molinos de viento se interrumpe con la revolución industrial y la utilización masiva de vapor, la electricidad y los combustibles fósiles como fuentes de energía motriz.

Fue entre las guerras mundiales cuando aparecieron los grandes avances en el aprovechamiento eólico, como consecuencia de los progresos técnicos de las hélices de aviación, y con ellas los proyectos de grandes aerogeneradores de dos o tres palas.

En los años 70, coincidiendo con la primera crisis del petróleo, se inicia una nueva etapa en el aprovechamiento de la energía del viento. Las aplicaciones de las modernas tecnologías, y en especial de las desarrolladas para la aviación, ha dado como resultado la aparición de una nueva generación de máquinas eólicas muy perfeccionadas, y que permiten su explotación, bajo criterios de rentabilidad económica, en zonas de potencial eólico elevado.

II. Aspectos generales: ventajas e inconvenientes

Como ya hemos dicho, la energía eólica es una energía tradicional que ha recibido múltiples usos. Actualmente se ha conseguido un alto grado de desarrollo tecnológico. Este desarrollo y los incentivos económicos que suelen ofrecer los gobiernos para la implantación de energías limpias y renovables han reducido los costes del aprovechamiento eólico de forma que sean cercanos a los costes de la competitividad. Ha habido un desarrollo espectacular en Europa especialmente en Dinamaraca o en España.

Podemos citar varias ventajas de la energía eólica. Se trata de una energía renovable, inagotable (a escala humana) y libre.

Por un lado, la opinión pública es favorable a la energía eólica. Este hecho tiene grandes implicaciones económicas que se traducen en subvenciones para su desarrollo e implantación.

Se trata además de una fuente de energía limpia que puede transformarse en electricidad sin contaminar (al contrario que las plantas convencionales).

Uno de los inconvenientes de la energía eólica es que necesitan grandes inversiones iniciales y los costes de mantenimiento son elevados (mayor que en la producción de electricidad con combustibles fósiles). Sin embargo, los costes de producción y de combustible durante el ciclo de vida de los sistemas eólicos son mucho menores que en las plantas convencionales.

A pesar de que el impacto ambiental de las plantas eólicas es relativamente pequeño comparado con otras formas de generación, los aerogeneradores producen contaminación acústica y visual. Asimismo se cree que puede existir impacto importante en la fauna ya que las aves no son capaces de ver las aspas cuando éstas giran.

Pero los mayores inconvenientes de esta fuente energética son que: es intermitente y no siempre puede obtenerse la potencia deseable; no puede ser almacenada como energía eólica, cosa que encarece el coste; es dispersa y se necesitan grandes superficies. Sin embargo el terreno utilizado para los parques puede ser aprovechado para actividades agrícolas, zonas de recreo. Comienza además a haber problemas de emplazamiento: hay menos energía al abrigo del viento de una turbina (y más turbulencia) que delante de ella. En parques eólicos, los aerogeneradores suelen espaciarse entre 150 y 300 metros los unos de los otros o con otros obstáculos. Evitar interferencias entre aerogeneradores requiere grandes superficies para instalar los parques y podemos considerar que en cada región existe una potencia máxima extraíble.

III. Recursos eólicos

El Sol irradia 1014 KW de potencia. Alrededor de un 1 a un 2 por ciento de la energía proveniente del Sol es convertida en energía eólica.

Las regiones alrededor del ecuador, a 0° de latitud, son calentadas por el Sol más que las zonas del resto del globo. Estas áreas calientes están indicadas en colores cálidos, rojo, naranja y amarillo, en esta imagen de rayos infrarrojos de la superficie del mar.

III.1. Vientos geostróficos

Cerca del ecuador, el aire se calienta y se eleva creando una baja presión que succiona viento de ambos hemisferios. Alrededor de los 30° de latitud en ambos hemisferios la fuerza de coriolis evita que el viento se desplace más allá. En esa latitud se crea un área de altas presiones, por lo que el aire empieza a descender de nuevo. Las direcciones del viento dominantes serán:

Estos vientos generados por las diferencias de temperatura, así como por las de presión se denominan vientos geostróficos. Se encuentran a una altura de unos 1000m a partir del nivel del suelo, por lo que apenas son influenciados por la superficie de la tierra. La velocidad de estos vientos geostróficos puede ser medida utilizando globos sonda.

III.2. Vientos locales

Aunque los vientos geostróficos son importantes en la determinación de los vientos dominantes de un área determinada, las condiciones climáticas locales pueden influir en las direcciones de viento más comunes.

La dirección del viento es la suma de los efectos global y local, por lo que cuando los vientos a gran escala son suaves, los vientos locales pueden dominar los regímenes de viento

Brisas marinas: Durante el día, la tierra se calienta más rápidamente que el mar por efecto del Sol.

El aire sube, circula hacia el mar, y crea una depresión a nivel del suelo que atrae el aire frío del mar. Esto es lo que se llama brisa marina. A menudo hay un periodo de calma al anochecer, cuando las temperaturas del suelo y del mar se igualan.

Durante la noche los vientos soplan en sentido contrario. Normalmente durante la noche la brisa terrestre tiene velocidades inferiores, debido a que la diferencia de temperaturas entre la tierra y el mar es más pequeña.

El conocido monzón del sureste asiático es en realidad un forma a gran escala de la brisa marina y la brisa terrestre, variando su dirección según la estación, debido a que la tierra se calienta o enfría más rápidamente que el mar.

Vientos de montaña: Las regiones montañosas muestran modelos de clima muy especiales.

Un ejemplo es el viento del valle que se origina en las laderas que dan al sur (o en las que dan al norte en el hemisferio sur). Cuando las laderas y el aire próximo a ellas están calientes la densidad del aire disminuye, y el aire asciende hasta la cima siguiendo la superficie de la ladera. Durante la noche la dirección del viento se invierte, convirtiéndose en un viento que fluye ladera abajo. Si el fondo del valle está inclinado, el aire puede ascender y descender por el valle; este efecto es conocido como viento de cañón.

Los vientos que soplan en las laderas a sotavento pueden ser bastante potentes. Ejemplo de ello son: El Fhon de los Alpes en Europa, el Chinook en las Montañas Rocosas y el Zonda en los Andes.

Ejemplos de otros sistemas de viento locales son el Mistral, soplando a lo largo del valle del Rhone hasta el Mar Mediterráneo, y el Sirocco, un viento del sur proveniente del Sahara que sopla hacia el Mar Mediterráneo.

III.3. Influencia del terreno

En altitudes hasta los 100metros, los vientos están mucho más influenciados por la superficie terrestre, donde el viento es frenado por la rugosidad de la superficie de la tierra y por los obstáculos.

En la industria eólica se distinguen: rugosidad del terreno, influencia de los obstáculos e influencia la orografía (el contorno) del terreno.

Rugosidad

En general, cuanto más pronunciada sea la rugosidad del terreno mayor será la ralentización que experimente el viento.

Donde

v0 es la velocidad (conocida) a una altura h0

n = 0,10 - 0,13 : terreno liso (mar, arena, nieve)

n = 0,13 - 0,20 : terreno moderadamente rugoso (hierba, terreno rural)

n = 0,20 - 0,27 : terreno rugoso (bosques, viviendas aisladas)

n = 0,27 - 0,40 : terreno muy rugoso (ciudades)

En la industria eólica nos referimos a clase de rugosidad o longitud de rugosidad cuando se trata de evaluar las condiciones eólicas de un paisaje. Una alta rugosidad de clase 3 ó 4 se refiere a un paisaje con muchos árboles y edificios, mientras que a la superficie del mar le corresponde una rugosidad de clase 0.

Las pistas de hormigón de los aeropuertos pertenecen a la clase de rugosidad 0.5, al igual que el paisaje abierto y llano pacido por las ovejas.

Obstáculos

Los obstáculos del viento tales como edificios, árboles, formaciones rocosas, etc. pueden disminuir la velocidad del viento de forma significativa y a menudo crean turbulencias en torno a ellos. La zona de turbulencias puede extenderse hasta una altura alrededor de 3 veces superior a la altura del obstáculo.

Los obstáculos disminuirán la velocidad del viento corriente abajo del obstáculo. Esta disminución depende de la porosidad del obstáculo, es decir, de cómo de "abierto" sea el obstáculo.

Ejemplos de porosidad:

= 0%
= 30%
= 50%

= 70%

El efecto de frenado del viento que un obstáculo produce aumenta con la altura y la longitud del mismo. El efecto será más pronunciado cerca del obstáculo y cerca del suelo. En el cálculo de potencia de un aerogenerador siempre hay que tener en cuenta los obstáculos próximos a la turbina (a menos de un kilómetro en cualquiera de las direcciones más importantes del viento).

Orografía

El efecto túnel y el efecto colina son efectos aceleradores del viento provocados por la orografía del terreno. Estos efectos son beneficiosos desde el punto de vista del aprovechamiento eólico.

III.4. Potencia del viento

Un aerogenerador obtiene su potencia de entrada convirtiendo la fuerza del viento en un par actuando sobre las palas del rotor. Podemos hallar la potencia que da el viento partiendo de su energía cinética:

donde  es la densidad del aire y V el volumen de aire que pasa a través del rotor en t.

Si consideramos que este volumen es un cilindro de espesor e y que el área de barrido del aerogenerador es A=> V=Ae

escribiendo la velocidad como
, obtenemos

Vemos que la potencia depende de la densidad ( 1,225 kg/m3 a presión atmosférica normal y a 15 °C), del área de barrido del rotor y sobre todo, de la velocidad, por lo que pequeñas variaciones de la velocidad provocan grandes variaciones de potencia.

Pero una corriente de aire que se mueve a través de un aerogenerador no puede ceder toda su energía cinética, ya que debe conservar una cierta velocidad a la salida del aerogenerador. El rozamiento producirá también pérdidas, con lo que un aerogenerador nunca podrá extraer el 100% de la energía del viento. Para expresar la potencia aprovechable en un aerogenerador se utiliza el coeficiente de potencia Cp, que es función, para cada máquina, de la velocidad del viento.

Como el Cp es variable:

El valor máximo de este coeficiente se conoce como Límite de Betz. Para hallar este valor máximo consideremos que la velocidad del viento a través del área del rotor es el promedio de la velocidad del viento sin perturbar antes de la turbina eólica, v1, y la velocidad del viento después de su paso por el plano del rotor, v2, esto es, (v1+v2)/2.

El caudal másico que atraviesa el volumen que consideramos será m=A (v1+v2)/2. La potencia del viento extraída por el rotor es (de acuerdo con la segunda ley de Newton ): P=(1/2)m(v12-v22)

Sustituyendo en esta expresión la m de la primera ecuación obtenemos la siguiente expresión para la potencia extraída del viento:

P=(
/4)(v12-v22)(v1+v2) A

Comparamos ahora el resultado con la potencia total de una corriente de viento no perturbada a través de exactamente la misma área A, sin ningún rotor que bloquee el viento. (P0=(
/2)v13)

El cociente la potencia que extraemos del viento y la potencia del viento sin perturbar es:

(P/P0)=(1/2)(1-(v2/v1)2)(1+(v2/v1))

Podemos dibujar P/P0 en función de v2/v1 y ver que la función alcanza su máximo para v2/v1=1/3, y que el valor máximo de la potencia extraída del viento es de 0,59 veces ó 16/27 de la potencia total del viento.

III.5. Variabilidad de la velocidad del viento

La velocidad del viento está siempre fluctuando, por lo que su contenido energético varía continuamente. De qué magnitud sea exactamente esa fluctuación depende tanto de las condiciones climáticas como de las condiciones de superficie locales y de los obstáculos.

El viento atmosférico puede describirse como la suma de dos términos. El primero, constante que representa la velocidad media. El segundo varía con el tiempo y representa las fluctuaciones. La velocidad u(t) del viento será entonces:

Las turbulencias se dan a números altos de Reynolds. Es debida a fuerzas inerciales no lineales y por lo tanto su modelización es difícil. Las ráfagas de viento suelen tener frecuencias bajas ya que son producidas por calentamientos del fluido por la radiación. En las turbulencias, las frecuencias abarcan un amplio espectro con predominio de las altas.

La componente variable del viento puede contener gran cantidad de energía a altas frecuencias. La producción de energía de una turbina eólica variará conforme varíe el viento, aunque las variaciones más rápidas debidas a turbulencias, serán hasta cierto punto compensadas por la inercia del rotor de la turbina eólica. Sin embargo, las turbulencias deben tenerse en cuenta durante el diseño ya que si las frecuencias de las ráfagas coinciden con la natural de los materiales de los aerogeneradores, pueden producirse serios daños en la estructura por fatiga.

La variación del viento en un emplazamiento típico suele describirse utilizando la llamada Distribución de Weibull (figura de la derecha).

Los fabricantes de aerogeneradores proporcionan gráficas de rendimiento para sus máquinas usando la distribución de Raileigh (distribución de Weibull con parámetro 2).

Si multiplicamos la potencia asociada cada velocidad del viento con la probabilidad de cada velocidad del viento de la gráfica de Weibull obtenemos la densidad de potencia. La curva de Weibull anterior cambia de forma debido a que las altas velocidades del viento tienen la mayor parte de la potencia del viento.

Normalmente, los aerogeneradores están diseñados para empezar a girar a velocidades alrededor de 3-5 m/s ( velocidad de conexión). El área azul de la izquierda muestra la pequeña cantidad de potencia perdida debido al hecho de que la turbina sólo empieza a funcionar a partir de, digamos, 5 m/s.

El aerogenerador se programará para pararse a altas velocidades del viento, de unos 25 m/s, para evitar posibles daños el la turbina o en sus alrededores. La velocidad del viento de parada se denomina velocidad de corte.

La pequeña área azul de la derecha representa la pérdida de potencia.

IV Principios aerodinámicos

La cantidad de energía extraíble del viento a una velocidad determinada depende de la geometría de las palas del rotor.

En las palas con forma de hélice, el viento pasa por ambas caras a distinta velocidad. Pasa más rápidamente por la cara superior (la más larga) creando una zona de depresión en esta cara. El resultado es que la pala sufre una fuerza de sustentación perpendicular al viento aparente, es decir, perpendicular a la dirección del viento vista desde un punto de la pala en movimiento. La sustentación es responsable, por ejemplo, de que los aviones vuelen. En el caso de los aerogeneradores, como las hélices están sujetas al buje, las palas giran alrededor del mismo.

Además de la sustentación, la pala sufre la acción de la resistencia aerodinámica (la resistencia del aire). Esta fuerza impide el giro de las hélices y se ejerce en dirección del viento aparente.

La figura siguiente nos servirá para explicar este fenómeno.

La sustentación depende del coeficiente CL . La resistencia aerodinámica (resistencia al movimiento de un cuerpo a causa del aire) puede describirse con el coeficiente CD:

Sustentación y resistencia aerodinámica aumentan con el ángulo de ataque: ángulo formado por la pala y la dirección del viento. Pero una variación brusca o defectos en las hélices pueden producir la turbulencia (el aire deja de estar en contacto con la cara superior de la pala) y la pérdida de la sustentación.

El control de la potencia generada se hará variando de una forma u otra el ángulo de ataque del viento y evitando así que la fuerza ascensional de la pala actúe sobre el rotor dañándolo.

V Aplicaciones de la energía eólica

La energía eólica tiene actualmente diversas aplicaciones tecnológicas:

Parques eólicos. Los parques eólicos para la generación de la energía eléctrica constituyen la aplicación más llamativa y conocida hoy en día.

Lejos de ser una instalación sencilla, un parque eólico está formado por: aerogeneradores, accesos y plataformas, líneas de transporte, transformadores y sistemas de control.

En el diseño de los parques tendremos que tener en cuenta

: la velocidad media del viento que repercutirá en la superficie necesaria para producir la potencia prevista; el nivel de turbulencia de la zona que creará en los aerogeneradores cargas de fatiga, sistema eléctrico local (tipo de generador), la accesibilidad y el tamaño de los aerogeneradores, las repercusiones medioambientales (contaminación por ruido, mortandad de aves); los factores legales; situación de generadores alineación de generadores, el efecto pantalla que pueden crearse entre ellos y orientación al viento.

La energía eólica también es utilizada en sistemas aislados tales como:

Aerobombas. Basadas en el molino multipala americano se usa para instalaciones de bombeo aisladas, posterior elevación a embalses, para uso en regadío por goteo, bebederos de animales, etc.

Por ejemplo, una aeroturbina oleohidráulica de 110 kW en Calaf, para bombeo a 200 m.

Instalaciones de apoyo energético.

Instalaciones de desalación.

Instalaciones de pequeño tamaño que pueden cubrir la necesidad de todo tipo de consumos, desde repetidores de telecomunicaciones, a pequeñas granjas, pasando por viviendas de uso habitual.

También existen sistemas híbridos como:

Eólico-fotovoltaico. Por ejemplo, en Ciparanti (en el sur de Java) se combinan los aerogeneradores para generar energía eléctrica (10kW/día) que se almacena en baterías solares.

Eólico-diesel (grandes potencias).En este caso, se trata de reducir en lo posible la participación del diesel, por lo que el acoplamiento se hace complicado. Se debe disponer de un sistema de control y almacenamiento a corto plazo que garantice la operación estable y el mínimo número de ciclos de arranque - parada del grupo diesel. Para ello se utilizan volantes de inercia.

Bibliografía

• Manuel Hermoso Poves. Colección apuntes Energías Alternativas de carácter renovable 97/98. Universidad de Jaén.

• Pedro Linares. Apuntes de Energías Renovables. ICAI. http://www.iit.upco.es/"pedrol/

• http://www.iesd.dmu.ac.uk

• http://www.awea.org/faq/basicop.html

• http://www.afm.dtu.dk/wind/turbines/gallery.html

• http://www.ct.tudelft.nl/windenergy/papers/iea97ab/aeroperf.htm

• http://members.es.tripod.de/ama/texto.htm#viento

• http://www.iesd.dmu.ac.uk/wind_energy/table0.html

• http://www.windpower.dk

v = v0 (h / h0)n

e