Base Teórica:
Tres leyes físicas básicas que gobiernan la cantidad de energía aprovechable del viento:
La primera ley indica que la energía generada por la turbina es proporcional a la velocidad del viento al cuadrado.
Ek = ½ m·v2
La segunda ley indica que la energía disponible es directamente proporcional al área barrida de las paletas. La energía es proporcional al cuadrado de la longitud de las paletas.
La tercera ley indica que existe una eficacia teórica máxima de los generadores eólicos del 59%.
En la práctica, la mayoría de las turbinas de viento son mucho menos eficientes que esto, y se diseñan diversos tipos para obtener la máxima eficacia posible a diversas velocidades del viento. Los mejores generadores eólicos tienen eficacias del 35% al 40%.
Energía eólica.- Energía eólica es la energía obtenida del viento, o sea, la energía cinética generada por efecto de las corrientes de aire, y que es transformada en otras formas útiles para las actividades humanas.
VIENTO
Se considera viento a toda masa de aire en movimiento, que surge como consecuencia del desigual calentamiento de la superficie terrestre, siendo la fuente de energía eólica, o mejor dicho, la energía mecánica que en forma de energía cinética transporta el aire en movimiento.
VELOCIDAD DEL VIENTO
El viento viene definido por dos parámetros esenciales que son, su dirección y su velocidad. La dirección del viento y su valoración a lo largo del tiempo conducen a la ejecución de la llamada rosa de los vientos.
La dirección del viento se comprueba mediante una veleta, y la velocidad se mide con un anemómetro. Según sea la velocidad se pueden considerar tres tipos de definiciones:
-Viento instantáneo; se mide la velocidad del viento en un instante determinado.
-Viento medio aeronáutico; se mide la velocidad media durante 2 minutos
-Viento medio meteorológico; se mide la velocidad media durante 10 minutos
Hay que distinguir también entre golpe de viento y ráfagas
La ráfaga es un aumento brutal y de corta duración de la velocidad del viento, propio de tormentas y borrascas.
El golpe de viento concierne a la velocidad media del viento, cuando sobrepasa los 34 nudos, 62 km/hora, y es una señal de advertencia, sobre todo para la navegación marítima. Un golpe de viento se corresponde con una velocidad media del viento comprendida entre 75 y 88 km/hora.
Las fuentes eólicas más interesantes se encuentran en las costas marinas y en determinados pasos entre montañas; existen zonas en las que se puede disponer de más de 3.000 kWh/m2 año, y en otras puede que no se llegue a los 200 kW/m2 año.
Ley exponencial de Hellmann.- La velocidad del viento varía con la altura, siguiendo aproximadamente una ecuación de tipo estadístico, conocida como ley exponencial de Hellmann, de la forma:
En la que vh es la velocidad del viento a la altura h, v10 es la velocidad del viento a 10 metros de altura y a es el exponente de Hellmann que varía con la rugosidad del terreno, y cuyos valores vienen indicados en la Tabla I.1. En la Fig. I.11, se indican las variaciones de la velocidad del viento con la altura según la ley exponencial de Hellmann.
Debido a que las máquinas eólicas arrancan para una determinada velocidad del viento, al tiempo que proporcionan la máxima potencia para unas velocidades iguales o superiores a una dada vnom, es natural que los datos a utilizar sean las curvas de duración de velocidad que se pueden convertir en curvas energéticas utilizando en el eje de ordenadas magnitudes N = k* v3 que proporcionan la potencia disponible en el viento para cada velocidad y de la que sólo es posible extraer una fracción.
La curva de duración de velocidad tiende a aplanarse cuando aumenta el tiempo durante el cual el viento persiste a una cierta velocidad.
La velocidad media del viento es de la forma:
y
la intensidad energética del viento, definida como la relación entre la potencia y la superficie frontal (área barrida), es proporcional al cubo de la velocidad, en la forma:
En una máquina eólica se pueden considerar tres velocidades del viento características:
La velocidad de conexión v conexas 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 de energía.
La velocidad nominal vnom 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.
La velocidad de desconexión v emb es la velocidad del viento por encima de la cual la máquina eólica deja de generar, porque se embala; los sistemas de seguridad comienzan a actuar frenando la máquina, desconectándola de la red a la que alimenta.
Energía útil del viento.- En una corriente de aire de densidad r y velocidad v , como se indica en la Figura, la potencia eólica disponible que atraviesa una superficie A y hace un recorrido L en el tiempo t, viene dada por la expresión:
La sección barrida por la pala en un aerogenerador de eje horizontal y diámetro D es:
y la potencia del viento:
La velocidad del viento varía con el tiempo y, por lo tanto, su potencia N también variará; se puede considerar el valor medio de ambas, por ejemplo a lo largo de un año, obteniéndose:
ACCION DEL VIENTO SOBRE EL PERFIL. POTENCIA UTIL Y RENDIMIENTO
PALAS PERFILADAS.- El elemento básico de una Aero turbina es el rotor, que está formado por una o varias hélices o palas, (su teoría de cálculo elemental es análoga a la de las hélices de avión). En el rotor están situadas las palas, cuyo número es variable según los casos; cada pala tiene un perfil que tiene forma aerodinámica; éstos perfiles tienen un extremo romo, que es el borde de ataque mientras que el otro extremo, de forma afilada, es el borde de salida.
Los perfiles tienen distintos nombres según su geometría. Se denominan biconvexos si el intradós y el extradós son convexos y plano-convexos si tienen el extradós convexo y el intradós plano y de doble curvatura si el intradós y el extradós son cóncavos.
En general, los tipos de perfiles utilizados en las máquinas eólicas rápidas son de la serie NACA(National Advisory Committee of Aeronautics), y vienen determinados por un conjunto de cifras que definen su geometría.
RESISTENCIA AERODINÁMICA DE LA PALA
Una fórmula aproximada para determinar la resistencia aerodinámica de un aerogenerador en rotación, inmerso en una corriente de aire de velocidad v, se puede expresar en la forma:
Faerod = 0,062 A v2
En la que A viene dada en m2, y v en m/seg.
Ejemplo: Una hélice tripala de 3,70 metros de diámetro, está girando en una corriente de aire de velocidad v= 8,94 m/seg.
La fuerza aerodinámica es:
Y como el rotor tiene 3 palas, la fuerza aerodinámica correspondiente a cada una es de 17,75 kg.
Si la máquina eólica está parada, pero inmersa en la corriente de aire, la resistencia estática aerodinámica por pala se calcula mediante la expresión:
Para una solidez del rotor W= 0,1, la fuerza estática aerodinámica para cada pala es:
Festática aerod = 2 x 0,1 x 17,75 = 3,55 Kg
Y la fuerza estática aerodinámica total será igual a 10,65 kg.
