Los seres humanos han utilizado la energía eólica durante miles de años, pero el renovado interés por la generación de energía no basada en combustibles fósiles ha llevado a un rápido aumento en la propagación de las turbinas eólicas. La extracción de energía del viento es conceptualmente simple: el viento se mueve sobre las paletas del ventilador que hacen girar un eje que hace girar un generador eléctrico. La capacidad de potencia de una turbina eólica se calcula fácilmente, y sí, depende del tamaño de la turbina.
Energía en el viento
El viento consiste en aire en movimiento y está formado por moléculas gaseosas. La energía cinética de cualquier molécula de aire individual es igual a la mitad de su masa multiplicada por su velocidad al cuadrado. Cuando sopla el viento, la masa de aire que pasa a través de cualquier área en particular es igual al área multiplicada por la velocidad del viento multiplicada por la densidad del aire. Al juntar esas dos piezas, la energía contenida en el viento que sopla a través de un área dada es igual a la mitad de la densidad del aire multiplicada por el área multiplicada por la velocidad en cubos. Una forma rápida de calcular la potencia en el viento, en vatios por metro cuadrado, es multiplicar el cubo de la velocidad del viento en metros por segundo por 0.625. Si la velocidad del viento está en millas por hora, multiplique el cubo por 0.056. Eso significa que un viento de 12 metros por segundo (poco más de 5 millas por hora) transporta casi 1.100 vatios por metro cuadrado, mientras que una brisa de 4 metros por segundo (menos de 2 millas por hora) transporta solo 40 vatios por metro cuadrado. La velocidad del viento es tres veces mayor y lleva 27 veces más energía.
Área barrida
El área barrida de una turbina eólica es el área total cubierta por una rotación de las cuchillas. Para las familiares turbinas de viento de eje horizontal con dos o más cuchillas que giran en un círculo, el área barrida es igual a pi por la longitud de una sola cuchilla. En una máquina con una longitud de cuchilla de 40 metros (131 pies), el área barrida es de más de 5,000 metros cuadrados (casi 54,000 pies cuadrados), casi una hectárea y cuarto. La potencia que atraviesa esa área se puede calcular multiplicando 5.000 metros cuadrados por 0.625 veces la velocidad del viento en cubos para un viento de 12 metros por segundo, lo que demuestra que el viento que sopla a través de esa área transporta más de 5 megavatios de potencia. El mismo viento que pasa por una turbina con palas de 28 metros tiene un área barrida de unos 2.500 metros cuadrados (27.000 pies cuadrados) y transporta unos 2.5 megavatios de potencia.
Eficiencia
Solo porque el viento transporta cierta cantidad de energía a través del área barrida de una turbina eólica no significa que la turbina eólica produzca tanta potencia. De hecho, incluso la mejor turbina posible no puede recolectar toda esa energía. Si lo hiciera, entonces el aire inmediatamente detrás de las cuchillas estaría inmóvil, lo que significa que el viento en frente no tendría adónde ir. La cantidad máxima posible de energía que puede recoger una turbina eólica es menos del 60 por ciento del total. En el mundo real, otras ineficiencias se infiltran -como la pérdida de energía por fricción, ruido y resistencia en los cables- para reducir la extracción total de energía a alrededor de 30 a 40 por ciento de la energía eólica total.
Cada turbina eólica tiene una clasificación de potencia. Esa es la potencia máxima que producirá en cada momento que la turbina funcione a su velocidad nominal del viento. Desafortunadamente, cada turbina tiene una velocidad de viento nominal diferente, por lo que es un poco más difícil compararlas. Además, cada turbina tiene velocidades de corte y corte. Esas son, respectivamente, las velocidades del viento bajas y altas más allá de las cuales la turbina no produce electricidad. La eficiencia de la turbina entre esos dos extremos se mide en una curva de potencia. La cantidad de energía que se puede esperar que genere una turbina eólica en un año determinado depende de la curva de potencia y del perfil de velocidad del viento. La energía real producida dividida por la energía que la turbina podría producir si siempre funcionara a tiempo completo se denomina factor de capacidad. Aunque una turbina eólica más grande generalmente podrá capturar más energía eólica, podría no tener el factor de capacidad más alto en una ubicación determinada.
