Aerodinámica de aerogeneradores

La energía del viento

El viento, consiste en aire en movimiento. Todo elemento de masa en movimiento posee una cierta cantidad de energía cinética (Ec), que es proporcional al cuadrado de su velocidad (v1) y a su masa (dm) respectivamente.

Considérese un elemento de volumen cilíndrico dV que es atravesado por aire en movimiento con velocidad v1 (fig 1):

Figura1

La energía que atraviesa la superficie A en la unidad de tiempo es la potencia P desarrollada por el fluido a través de dicha sección:

Se tiene así, que la potencia del viento es proporcional a la densidad del aire, al área de sección considerada y al cubo de su velocidad .

La fuerza del viento

Si en el medio fluido se interpone un elemento captador de energía (fig. 4), el viento después de atravesarlo tendrá una velocidad v2 menor a la v1 que traía originalmente (disminución de energía cinética). El cambio en velocidad del flujo implica que se realiza una fuerza sobre el elemento interpuesto.

Figura 2

En la figura 2 se representa gráficamente el comportamiento de las variables que caracterizan el flujo. El disco del rotor (línea R-R) se sitúa perpendicularmente a la dirección del viento incidente que tiene una velocidad v1 a una distancia infinita aguas arriba. El aire que se desplaza por el tubo de corriente atraviesa el rotor, cediéndole parte de su energía y estableciendo la correspondiente diferencia de presiones a ambos lados.

Máxima potencia extraíble del viento

La potencia captada por un aerogenerador suele expresarse como:

donde Cp es el coeficiente de potencia que determina el rendimiento aerodinámico del rotor.

El rotor

En los sistemas eólicos el elemento captador consiste en una hélice que transforma la energía cinética del viento en energía rotacional que es comunicada a un generador eléctrico (aerogeneradores), a un sistema de bombeo  aerobombas) o a un sistema para moler grano (molino de viento tradicional). El principal elemento de estas hélices es la pala.

El dimensionamiento de un rotor es una tarea complicada y que requiere integrar los conocimientos de diferentes disciplinas: además de aerodinámica, hay que tener en cuenta aspectos estructurales (estáticos y dinámicos), de generación de ruido, de fabricación, etc.

Como primera aproximación se necesita saber cuanta potencia debe generar el rotor, a que velocidad debe generarla, y a que velocidad de giro (este último parámetro está limitado por la maquinaria que va acoplada al rotor, por ejemplo).

De forma preliminar, se puede calcular el área del rotor deseado partiendo de la relación:

dónde se debe tomar un valor aproximado de Cp ( normalmente entre 0.3 y 0.35). Pero también hay que tener en cuenta las pérdidas en la maquinaria que va conectada al rotor (multiplicador, generador, eje con cojinetes, bomba de agua,…) Cada componente tiene su propia eficiencia, por lo que se debe multiplicar Cp por cada una de estas eficiencias para conocer la potencia útil que se va a generar.

Los materiales a emplear en la fabricación de rotores son muy variados. En principio, una pala puede ser fabricada en madera, metal, telas y materiales compuestos, entre otros. Los valores que deteerminan cual de estos materiales es el adecuado varían para cada caso específico.

Con diferencia, casi todos los nuevos diseños prefieren las ventajas de los materiales compuestos: fibras de vidrio, carbono y kevlar, resinas de poliester, viniléster y epoxi. La ventaja de utilizar los tejidos de fibra es que se puede moptimizar la estructura para resistir las cargas en las direcciones apropiadas, aligerando además el peso total. Además, el coste de estos materiales está descendiendo considerablemente, por lo que su empleo se generalizará en el futuro.