Aerogenerador

La energía cinética del aire (E) depende del cuadrado de la velocidad del aire (${\displaystyle v}$) y de su densidad (${\displaystyle \rho }$):

en Julios por cada metro cúbico de aire.

La potencia (${\displaystyle w}$), en vatios por unidad de superficie, se puede expresar como:

${\displaystyle w={\frac {1}{2}}\rho v^{3}}$

Por tanto, la potencia eólica a la que estará expuesta una turbina se determina multiplicando la anterior expresión por el área de barrido de la turbina, que es el círculo que abarcan las aspas.[2] Por ejemplo, el área de barrido de una turbina con un rotor de 82 metros de diámetro será de 5281 m².

Sin embargo, no toda la potencia del aire puede ser aprovechada por el aerogenerador. El límite de potencia que puede ser extraído está dado por el límite que estableció el físico Albert Betz. Este límite, que lleva su nombre, se deriva de la conservación de la masa y del momento de inercia del flujo de aire. El límite de Betz indica que una turbina no puede aprovechar más de un 59.3 % de la energía cinética del viento. El número (0.593) se le conoce como el coeficiente de Betz. Por ejemplo, si una turbina de 82 metros de diámetro estuviera expuesta a un viento de 15 m/s con una densidad del aire de 1.28 kg/m³ podría extraer, suponiendo un viento perfecto (sin turbulencias) y un rendimiento perfecto, hasta 6.76 MW de energía eléctrica.

Los aerogeneradores modernos obtienen entre un 75 % a un 80 % del límite de Betz.[3] Uno de los factores que más influye en que no se alcance el 100 % del límite de Betz es la rugosidad del suelo. Dicha rugosidad se ve influida por la presencia de vegetación o edificaciones en el suelo, que disminuyen la velocidad del viento y aumentan las turbulencias del aire. Por ello, una mayor altura del rotor y la instalación en el mar (offshore) contribuyen a un mejor aprovechamiento de la energía del aire.

En general, los aerogeneradores modernos de eje horizontal se diseñan para trabajar con velocidades del viento que varían entre 3 y 25 m/s de promedio. La primera es la llamada velocidad de conexión y la segunda la velocidad de corte. Básicamente, el aerogenerador comienza produciendo energía eléctrica cuando la velocidad del viento supera la velocidad de conexión y, a medida que la velocidad del viento aumenta, la potencia generada es mayor, siguiendo la llamada curva de potencia.

Las aspas disponen de un sistema de control de forma que su ángulo de ataque varía en función de la velocidad del viento. Esto permite controlar la velocidad de rotación para conseguir una velocidad de rotación fija con distintas condiciones de viento.

Asimismo, es necesario un sistema de control de las velocidades de rotación para que, en caso de vientos excesivamente fuertes, que podrían poner en peligro la instalación, haga girar el rotor de tal forma que las palas presenten la mínima oposición al viento, con lo que la máquina se detendría.

Para aerogeneradores de gran potencia, algunos tipos de sistemas pasivos, utilizan características aerodinámicas de las aspas que hacen que aún en condiciones de vientos muy fuertes el rotor se detenga. Esto se debe a que él mismo entra en un régimen llamado "pérdida aerodinámica".

Este tipo de generadores se ha popularizado rápidamente al ser considerados una fuente limpia de energía, ya que no requieren, para la producción de energía, una combustión que produzca residuos contaminantes o gases implicados en el efecto invernadero. Sin embargo, su uso no está exento de impacto ambiental. Su localización —frecuentemente lugares apartados de elevado valor ecológico, como las cumbres montañosas, que por no encontrarse habitadas conservan su riqueza paisajística y faunística— puede provocar efectos perniciosos, como el impacto visual en la línea del horizonte, la gran superficie que ocupan debido a la separación necesaria entre ellos —entre tres[4] y diez[5] diámetros de rotor— o el intenso ruido generado por las palas, además de los efectos causados por las infraestructuras que es necesario construir para el transporte de la energía eléctrica hasta los puntos de consumo. Pese a que se investiga para minimizarlos, se siguen produciendo muertes de aves por su causa,[6] además de que se ven afectadas las poblaciones de quirópteros.[7] En algunas centrales eólicas, mueren cada año cerca de 14 aves y 40 murciélagos por cada MW instalado.[8] Más recientemente, se ha propuesto la posibilidad de que su uso generalizado podría incluso contribuir al calentamiento global al bloquear las corrientes de aire.[9]

Por otro lado, teniendo en cuenta los gases de efecto invernadero que sí se producen por las tareas derivadas de construcción, transporte y mantenimiento del aerogenerador, la energía eólica terrestre (onshore), con 12 g de CO₂ por cada kWh, es la segunda energía menos contaminante,[10] tras la energía hidroeléctrica (con 4 g de CO₂ por cada kWh); le siguen la energía nuclear (con 16 g de CO₂ por cada kWh), y la energía solar térmica, (con 22 g de CO₂ por cada kWh). A esto hay que sumar el problema de las palas, que dejan de ser útiles tras unos 20 años de uso, y que suelen terminar en vertederos (denominados «cementerios de palas») ante la complejidad de su reciclaje.[11]

Son aerogeneradores que se utilizan para uso personal. Los hay que producen desde 50 W hasta unos pocos kilovatios. Suelen ser hechos por el propietario. La configuración ideal de un aerogenerador es sobre un mástil sin necesidad de cables de anclaje y en un lugar expuesto al viento. Muchos de los diseños convencionales de turbinas eólicas no se recomiendan para su montaje en edificios. Sin embargo, si el único sitio disponible es el tejado de un edificio, instalar un pequeño sistema eólico puede ser factible si está lo suficientemente alto como para minimizar la turbulencia, o si el régimen del viento en ese emplazamiento en particular es favorable.[14]

La mayoría de los sistemas de energía eólica[15] disponibles necesitan la intervención del dueño durante el funcionamiento. Muchos fabricantes ofrecen servicio de mantenimiento para las turbinas eólicas que ellos instalan. El fabricante debe, en cualquier caso, proporcionar información detallada acerca de los procedimientos de mantenimiento.

Junto con los costes de inversión, se debe llevar a cabo una evaluación económica que incluya los siguientes aspectos:

• Reducción de los costes anuales de electricidad como resultado de la producción de la misma por el sistema de energía eólica. Debe tener en cuenta expectativas futuras del precio de la electricidad.
• Posibles programas de apoyo por parte del Gobierno, por ejemplo, subvenciones o incentivos fiscales para fomentar el uso de los sistemas de energía eólica.
• Costes asociados a la emisión de CO₂ (materias primas, construcción y mantenimiento).

Además de las ventajas propias de la energía eólica, la microeólica es más eficiente si se genera la electricidad cerca del lugar donde se consume, puesto que se minimizan las pérdidas en el transporte. También es posible, en estos casos, almacenar la energía en baterías para su uso en ausencia de viento.

En España, hay fabricantes de microeólica, como Bornay Aerogeneradores.[16]

No existe una frontera definida entre la microeólica y la minieólica. Generalmente, se puede considerar que la microeólica comprende un único aerogenerador, mientras que la frontera superior de la minieólica se define por potencia, y no debe superar los 100 kW.[17] Se denominan también aerogeneradores domésticos o de pequeña potencia.[18][19]

Aplicaciones:[20]

• Zonas aisladas: los miniaerogeneradores se utilizan en zonas aisladas donde existe un gran coste o dificultad para llevar la energía de la red eléctrica. Aquí estarían no solo las viviendas o cabañas aisladas, también granjas, torres de telecomunicación, bombeo de agua, etc. En estos casos el aerogenerador suele ir acompañado de paneles solares fotovoltaicos que garantizan el óptimo funcionamiento del sistema.
• Instalaciones con un alto índice de consumo eléctrico: fábricas, desalinizadoras y otras infraestructuras que consumen una gran cantidad de energía pueden recurrir a la instalación de aerogeneradores para reducir el consumo eléctrico de la red.
• Conexión a la red: Los particulares y empresas que dispongan de un aerogenerador de minieólica pueden consumir la energía que necesitan y vender el sobrante a la red.

Dónde colocar un aerogenerador de pequeña potencia:[21] hay que conocer los vientos dominantes que existen en la zona y la forma en que pueden variar a lo largo del año. Por lo general el punto más elevado del terreno es el que recibe más viento, aunque esta regla puede verse alterada por la presencia de ríos, valles o zonas boscosas, así como los obstáculos que existan alrededor como edificios o árboles. Estos pueden variar tanto la velocidad, como la dirección del viento.

Se recomienda instalar el aerogenerador de pequeña potencia al menos 10 metros por encima de cualquier obstáculo y al doble de altura que esta.

La Asociación Mundial de Energía Eólica (en inglés: World Wind Energy Association[22][23]), en el del Informe Mundial sobre Minieólica,[24] ha publicado que a finales de 2011 la minieólica alcanzó los 576 MW, lo que supone un 27 % más de potencia instalada que el año anterior. Más de 330 fabricantes de pequeñas turbinas eólicas operan en 40 países de todo el mundo.[25]