409064322-Energia-Eolica

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Energías renovables: marco conceptual de la energía eólica, su importancia, tipos de 
turbinas eólicas, curvas de rendimiento, potencial de energía y densidad, eficiencia de 
la turbina, y límite de Betz mediante un proceso de recopilación de información. 
 
Mónica Antolínez. 1 
 
Facultad de ciencias naturales e ingeniería, programa de ingeniería química, universidad de Bogotá Jorge Tadeo 
Lozano, Bogotá D.C. 
monicaf.antolinezp@utadeo.edu.co 
 
ENERGÍA EÓLICA 
 
Introducción 
 
Dado el creciente consumo de energías no 
renovables (combustibles fósiles) a nivel 
mundial, en los últimos años se ha 
despertado una preocupación por su 
agotamiento y el daño ambiental 
producido. Se ha visto la necesidad de 
buscar nuevas fuentes de energía, que 
remplacen el uso de combustibles fósiles y 
sean amigables con el planeta. [1]. 
 
Figura 1. Consumo de energía total en el mundo en 
2014. [2] 
La energía eólica es la energía renovable 
más eficiente y desarrollada de las 
energías renovables. Genera electricidad 
mediante la utilización de la energía 
cinética producida por efecto de las 
corrientes de aire. Es una fuente de 
energía limpia e inagotable. 
 
Según el reporte de la “red de políticas en 
energía renovable para el siglo 21”, la 
energía eólica es el mayor recurso para la 
nueva capacidad de energía renovable y 
candidato más fuerte para satisfacer la 
demanda de electricidad. En 2015, la 
energía eólica fue la principal fuente de 
nueva capacidad generadora de 
electricidad en Europa y Estados Unidos, 
y la segunda más importante en China. A 
nivel mundial, se añadió un récord de 63 
GW, sumando aproximadamente 433 
GW. [3] 
 
 
Figura 2. Potencia eólica anual instalada 
en el mundo (2000-2015). [4] 
Este creciente consumo de energía eólica 
se debe a que presenta ventajas como: 
 No necesita consumo de agua ni 
emite residuos tóxicos o gases de 
efecto invernadero. 
 No requiere de fuentes minerales. 
 Alta reducción de las emisiones de 
CO2. 
 Su uso y explotación no son causa 
de riesgos ambientales. 
 Tiene un periodo de recuperación 
energética bajo, es decir, la 
recuperación de la energía gastada 
en su construcción se da en corto 
tiempo. [5] 
El principal problema que enfrenta la 
energía eólica son los vientos dispersos, de 
gran variabilidad y fluctuación, por lo que 
son pocos los lugares adecuados para una 
explotación técnica y eficiente de esta 
energía. 
Su impacto medioambiental esta dado a 
nivel local en aspectos como: 
mailto:monicaf.antolinezp@utadeo.edu.co
 Contaminación auditiva (aumento 
del nivel de ruido). 
 Contaminación visual (impacto 
visual, sombra, reflejos). 
 Ocupación del suelo (parques que 
no se desarrollan en el mar). 
 Impacto sobre la fauna (aves). 
 
Presenta otras desventajas como: 
 La interferencia con campos 
electromagnéticos 
 Considerable costo que requiere su 
construcción, instalación y 
transporte de la energía. 
 Dependencia de los cambios 
meteorológicos. [6] 
 
Sin embargo, el precio de la energía eólica 
es cada día más bajo, este hecho implica 
que la energía baje de precio a nivel 
general. 
 
Por ejemplo, según los datos 
suministrados por la Asociación 
Empresarial Eólica (aee), en España, el 
país que registro el mayor consumo de 
energía eólica, el costo de la energía se fija 
en un mercado competitivo, donde las 
diferentes fuentes de energía ofertan la 
electricidad, de este modo, en tiempos de 
fuertes corrientes de aire la energía eólica 
baja su costo, desplazando a fuentes de 
energía que utilizan tecnologías con 
combustibles más costosos. Se espera que 
el consumo de energía eólica siga 
aumentando; según la Planificación 
Energética 2016-2020 del Ministerio de 
Industria, Energía y Turismo, en 2020 
habrán 29.479 MW de energía eólica 
instalados, que podrían generar entre el 
21% y el 25% de la demanda eléctrica en 
España. [7]. 
 
En términos generales, la energía eólica 
funciona en combinación con centrales 
térmicas, dado que no tiene muchas 
opciones de almacenamiento de energía. 
Sin embargo en un artículo publicado en 
noviembre del 2015 por la revista 
“renewable energy”, se hace un estudio 
conceptual de la energía eólica que utiliza 
conversión y almacenamiento de energía 
térmica directa, y se enuncian diversos 
sistemas para integrar las energías 
renovables a las redes actuales. Se propone 
un novedoso sistema de energía térmica 
eólica (WTES), en el cual se lleva a cabo 
una conversión directa de la energía eólica 
a energía térmica. La energía térmica se 
genera de la energía de rotación 
directamente en la parte superior de la 
torre por el generador de calor, que es una 
especie de freno eléctrico simple y ligero. 
El resto del sistema es el mismo que el de 
la energía solar concentrada tipo torre 
(CSP). La estimación de costos sugiere 
que el coste energético de WTES es menor 
que el de la energía eólica convencional. 
Además elimina problemas como el ruido 
y la vibración. 
 
 
Figura 3. Configuración WTES, para la 
generación de energía estable durante todo el día. 
[8] 
El tema de producción de energía eólica ha 
sido tocado desde 1900, cuando se 
utilizaban pequeños molinos; el desarrollo 
de la turbina eólica se dio en la década de 
1970, en base a la problemática 
medioambiental. El parque eólico más 
grande se encuentra en Altamont Pass en 
California, cuenta con 15000 turbinas y 
tiene una capacidad de 576 MW. 
 
 
Figura 4. a) parque eólico Altamont Pass. b) 
turbinas sobre edificio Bahrain World Trade 
Center. 
Tabla 1. Capacidad eólica instalada en países 
latinoamericanos y caribeños, 2009. 
 
 [9] 
Para la instalación de un parque eólico es 
indispensable hacer un estudio del 
potencial eólico, y las turbulencias 
(cambios rápidos en la dirección y 
velocidad del viento). La norma IEC 
61400-1 establece una clasificación para 
los aerogeneradores, dependiendo de la 
cantidad de turbulencia que pueden 
soportar. Los aerogeneradores de la 
categoría A pueden soportar una 
turbulencia mayor que los de la categoría 
B. 
Tabla 2. Condiciones tolerables para el viento 
según la norma IEC 61400-1 
 
[10] 
1. Tipos de turbinas eólicas y curva de 
rendimiento energético. 
 
Las turbinas se clasifican por la 
orientación de su eje de rotación en 
turbinas eólicas de eje horizontal (HAWT) 
y turbinas eólicas de eje vertical (VAWT). 
Las únicas que han tenido éxito han sido 
las de tipo HAWT. A través de los años se 
han propuesto innovadores modelos de 
estas turbinas. [11] 
 
 
Figura 5. Turbinas de eje horizontal. 
Cada turbina se caracteriza por tener una 
curva de desempeño energético. 
 
 
Figura 6. Curva de desempeño de potencia de una 
turbina eólica típica con definiciones de 
velocidades de conexión, nominal y de corte. 
La curva de desempeño de potencia 
depende del generador eléctrico, el 
engranaje y cuestiones estructurales, por lo 
que el diseño debe ser lo menos critico 
posible. En la escala de velocidad del 
viento se identifican tres ubicaciones 
claves: 
Tabla 3. Ubicaciones según la escala de 
velocidad del viento. 
Velocidad Definición 
Velocidad 
de 
conexión 
Velocidad del viento mínima 
a la cual se puede generar 
energía útil. 
Velocidad 
nominal 
Velocidad del viento que 
produce la energía nominal. 
Velocidad 
de corte 
Velocidad eólica máxima a la 
cual la turbina de viento está 
diseñada para producir 
energía. 
 
Si la velocidad del viento supera la 
velocidad de corte, se detienen las hélices 
por un mecanismo de frenado, por 
prevención y razones de seguridad. [12]. 
 
2. Potencial eólico 
Los nuevos modelos energéticos del 
mundo están exigiendo un tipo de energía 
como la que se ha tratado de describir 
durante este escrito, a pesarde que se está 
tratando de implementar un modelo 
energético de este tipo en todas las 
regiones del mundo; la posibilidad de 
implementarlo se está viendo afectada por 
la capacidad del viento para promover el 
movimiento de la turbina y la generación 
de la energía eléctrica, a esto se conoce 
como el potencial eólico de cada región. 
[13] [14] 
El potencial eólico de cada región va 
medido por la siguiente formula: 
𝑃
𝐴
=
𝐶𝑝
𝑁
∑
1
2
𝜌𝑖𝑣𝑖
3
𝑁
:
 
Donde: 
P(W): es la potencia disponible. 
p(kg/m3): es la densidad del aire. 
V(m/s2): es la velocidad del viento de 
forma horizontal. 
A(m2): área de la sección trasversal de la 
turbina. 
Cp: Limite de Betz 
[15] [16] 
Se define el Cp como la fracción de 
potencia que el aire captura realmente a 
través del aerogenerador, es decir, todo lo 
que realmente se puede extraer del 
aprovechamiento del aire.[4] 
La potencia disponible nunca podrá 
alcanzar el 100%, esto dado que los 
Límites de Betz nunca alcanzan más del 
60%. 
 
Figura 7. Potencial de Energía Eólica 
Aprovechable entre 1997-2010. [2]. 
 
La grafica muestra en sus mayor parte la 
potencial eólica de zonas como Estados 
Unidos y Europa, pero ahora bien como se 
ubica Colombia en el panorama de energía 
Eólica. [14] 
 En este momento Colombia solo cuenta 
con un parque eólico en funcionamiento 
que produce solo el 0.4% del potencial 
teórico que se tiene en Colombia ( Este es 
el parque Jepirachi desarrollado por EPM 
localizado en lo más alto de la Costa 
Atlántica Colombiana [17]), pero se 
registran altos potenciales aprovechables 
en los Andes Santandereanos y en toda la 
zona de la Costa Atlántica, pero en 
especial en el departamento de La Guajira 
donde el potencial eólico supera los 10000 
MW; dicha zona (La Guajira) brinda 
buenas corrientes de aire y la poca 
turbulencia en los vientos hace pensar a los 
investigadores que Colombia 
aprovechando al máximo esta zona podría 
llegar a producir energía limpia en altas 
cantidades y de muy buena calidad. [16] 
[17] 
 
 
Figura 8. Mapa de potencia de los vientos en 
Colombia. Tomado de Revista Eólica y vehículo 
eléctrico (2016). 
A finales del año 2015 Colombia se 
encontraba esperando el decreto 
regulatorio para Energías Renovables No 
convencionales para empezar la expansión 
del proyecto de energía Eólica no solo en 
la zona de La Guajira sino también en una 
zona identificada entre Barranquilla y 
Cartagena donde se encontraron vientos 
que presentan una buena velocidad durante 
todo el año, de llegar a darse dicha 
autorización la Unidad de Planeación 
Minero Energética prevé que hacia 2018 la 
energía eólica podría producir el 30% de la 
energía consumida en el país, se estaría 
hablando además de una reducción 
bastante alta en el costo de la energía 
Colombia (que además es una de las más 
altas de la región, lo que le quita 
competitividad económica y productiva al 
país). [7][8][9] 
Tabla 4. Producción energética prevista con el 
Parque Jepirachi. Tomado de Parque Eólico 
Jepirachi (2004). 
 
3. Densidad de la potencia eólica 
 
La densidad de la potencia eólica se define 
como la potencia del viento por unidad de 
área; calcula la distribución de energía 
eólica en función de la velocidad del 
viento. [22] 
La densidad del aire se define como la 
masa por unidad de volumen, la energía 
cinética del viento está dada por la 
densidad del aire, es decir entre más denso 
es el aire, mayor será la energía recibida 
por la turbina. [23] 
La densidad de potencia eólica se expresa 
en unidades de 
𝑊
𝑚2
 , que se obtiene de la 
ecuación. 
�̇�𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒
𝐴
= 
1
2
𝜌𝑉3 
Esta es una ecuación que define la 
densidad de potencia eólica en un instante 
de tiempo, pero dado que el tiempo varia 
en gran factor durante el tiempo, ya sea en 
el día o el año, se hace necesario expresar 
la densidad en función de una la velocidad 
promedio �̅�. 
�̅�𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒
𝐴
= 
1
2
𝜌�̅�3 
Generalmente la densidad de la potencia 
eólica se calcula con valores de velocidad 
promedio por hora. Esta ecuación es útil 
para determinar el tipo de turbina eólica a 
utilizar y la ubicación a la cual se debe 
instalar. 
Tabla 6. Criterio general para la construcción de 
turbinas eólicas en un lugar propuesto. 
Densidad de potencia eólica 
 Densidad de 
la potencia 
eólica 
Conclusión del 
sitio elegido para 
instalación de 
turbinas 
< 
100
𝑊
𝑚2
 
Es desaconsejable 
la instalación de 
turbinas eólicas 
≅ 
400
𝑊
𝑚2
 
Es aceptable- 
bueno, puede 
realizarse la 
instalación 
> 
700
𝑊
𝑚2
 
Es aconsejable, se 
puede lograr un 
óptimo 
rendimiento. 
[24] 
Para la instalación de turbinas eólicas es 
necesario tener presente otros factores que 
pueden afectar, como la intensidad de 
turbulencia atmosférica, los obstáculos, 
los factores climáticos, el impacto 
medioambiental, etc. 
 
Figura 9. Curva de potencia del viento [25] 
4. Eficiencia de turbina eólica 
La eficiencia de una turbina se denomina 
más comúnmente en el medio de las 
energías como <<coeficiente de 
potencia>> que describe la eficiencia con 
la que el aerogenerador convierte la 
energía del viento en energía eléctrica. 
[26] [27] 
El coeficiente de potencia (Cp) viene dado 
por una relación entre la potencia dada por 
la energía eléctrica y la potencia dada por 
la energía del viento de entrada, en otras 
palabras viene dada por la potencia 
ejercida por la energía mecánica del 
viento y la energía eléctrica. [26] [27] 
𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 
=
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜
 
 
Figura 10. Cilindro de un aerogenerador 
[28] 
 
A diferencia del coeficiente de potencia, la 
potencia de la turbina viene dado por el 
producto entre el coeficiente de potencia y 
la potencia del viento (Pv); dicha potencia 
(la eólica) a su vez está dada por un medio 
del producto de la densidad del aire 
(kg/m3) (𝜌), la velocidad del viento al cubo 
(m/s) (v3) y el área del cilindro del 
aerogenerador (A). [29] 
 
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 = 𝐶𝑝 ∗ 𝑃𝑣 
𝑃𝑣 = 
1
2
𝜌𝐴𝑣3 [30] 
 
5. Límite de Betz para la eficiencia de 
la turbina eólica 
Albert Betz un reconocido físico alemán 
considerado uno de los pioneros de las 
turbina utilizada en el actual mecanismo 
de aprovechamiento del aire, propuso en 
una su obra Energía Eólica y utilización de 
los molinos de viento en 1926 un tipo de 
ley que hasta hoy se conserva en los 
campos de aprovechamiento de esta 
energía. [31][32] 
En el estudio realizado por Betz se 
concluye que un rotor que se encuentre en 
su máxima capacidad para trasformar la 
energía cinética del viento en energía 
eléctrica solo lograra aprovechar entre el 
59.6% y 59.3%, este pequeña ley del 
aprovechamiento de fluidos newtonianos, 
en este caso específicamente el aire en 
altas velocidades y en movimiento, se 
conoce comúnmente como el Limite de 
Betz que no es más que la máxima 
potencia que puede ser extraída del viento. 
[31][33] 
 
Figura 11. Esquematización del 
comportamiento del viento en una turbina. 
Donde: 
v: velocidad del viento antes del rotor 
A= sección transversal antes del rotor 
v’: velocidad del viento durante el paso por 
el rotor 
A’= sección del rotor 
v2: velocidad del viento después del rotor. 
A2= sección transversal después del rotor. 
[34] [31] 
 
Bajo condiciones ideales Betz propuso tres 
condiciones de los cuales más tardes 
obtendríamos las relaciones características 
de las idealizaciones de Betz, dichas 
condiciones son válidas tanto para el rotor 
como para el viento: 
 
 Se supone un rotor sin perdidas de 
tipo mecánica y/o aerodinámicas con 
un número infinito de palas. 
 Se consideraun aire libre de fricción e 
inicialmente durante los experimentos 
de Betz se consideró un aire sin 
ningún tipo de viscosidad. 
 Por ultimo dividendo el rotor, se 
espera (para condiciones ideales) que 
la presión estática del aire sea igual 
tanto antes como después del rotor. 
Utilizando la figura anterior la presión 
estática debería ser igual en A y A2. 
[32][33] 
 
Considerando las condiciones anteriores 
es posible asegurar, esto gracias a Betz, 
que la velocidad del viento justo en el rotor 
será igual a la media aritmética entre las 
velocidades que se miden en las secciones 
que están antes y después del rotor, así: 
 
 
 
Ahora bien, Betz también propone la 
siguiente relación entre la velocidad a 
altura del rotor y la velocidad de la sección 
que se encuentra antes del rotor: [31] 
𝑎 =
𝑣′
𝑣
 
 
Dicha relación se conoce con el nombre de 
factor de ralentización o ralentización de 
una corriente de aire en la sección del 
rotor. [31] 
 
𝑃𝑤𝑚𝑎𝑥 = 0,37 ∙ 𝐹 ∙ 𝑣
3 
 
Donde F es la superficie [m2 ] de acción de 
las palas del rotor, que fácilmente dado 
que el diámetro de estas es pequeño con 
respecto al diámetro del rotor se podría 
decir que F es: [31] 
𝐹 = 𝜋 ∙ 𝐷2 ∙ 𝑣3 
Dado que se tiene una nueva forma de 
representar a F, se podría reescribir el 
Límite de Betz de la siguiente manera: [31] 
𝑃𝑤𝑚𝑎𝑥 = 0,29 ∙ 𝐷
2 ∙ 𝑣3 
Aunque la formula anterior es muy útil, 
para obtener la potencia máxima 
especifica o la potencia por unidad de 
superficie del rotor, se realiza una división 
de nuestra ecuación inicial del Límite de 
Betz entre la F y obtenemos: [31] 
 
Pero si por un motivo extra lo que se quiere 
es obtener la máxima energía que se puede 
extraer del viento en un lugar “x” se tendrá 
que utilizar la siguiente ecuación, que nace 
de multiplicar la ecuación del Pmax por un 
tiempo determinado: [31] 
 
Esta ecuación solo podría utilizarse para 
un túnel de viento en el que la velocidad 
del aire debería mantenerse constante, 
pero como la realidad de la naturaleza 
permite muy pocas veces esta situación tan 
ideal se utiliza la siguiente ecuación para 
evitar errores de cálculo a la hora de tener 
fluctuaciones en la velocidad durante un 
periodo de tiempo. [31] 
 
 
 
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