Una turbia eólica obtiene su potencia de entrada convirtiendo la fuerza del viento en un torque (esfuerzo de torsión) actuando sobre las palas del rotor. La cantidad de energía que el viento transfiere al rotor depende de la densidad del aire, el área del rotor, y la velocidad del viento.
La imagen muestra cómo una porción cilíndrica de aire de 1 metro de espesor se mueve a través de los 1.500 m2 del rotor de una típica turbia eólica de 600 kilovatios.
Con un diámetro de rotor de 43 metros en realidad cada cilindro pesa 1,9 toneladas, es decir, 1.500 veces 1,25 kilogramos.
Densidad del aire
La energía cinética de un cuerpo en movimiento es proporcional a su masa (o peso). La energía cinética del viento depende de la densidad del aire, es decir, su masa por unidad de volumen.
En otras palabras, cuanto más "pesado" sea el aire, más energía es recibida por la turbina.
A presión atmosférica normal y a 15 °C el aire pesa unos 1,225 kilogramos por metro cúbico, pero la densidad disminuye ligeramente con el aumento de la humedad.
Además, el aire es más denso cuando hace frío que cuando hace calor. A grandes altitudes, (en las montañas) la presión de aire es más baja, y el aire es menos denso.
Las turbias eólicas desvían el viento
La descripción anterior sobre la energía del viento está un poco simplificada. En realidad, una turbina eólica desviará el viento, incluso antes de que el mismo llegue al plano del rotor. Esto significa que nunca será posible capturar toda la energía en el viento utilizando una turbina eólica.
En la imagen de arriba tenemos al viento que viene desde la derecha, y se utiliza un dispositivo para capturar parte de la energía cinética del viento. (En este caso se usa un rotor de tres palas, pero podría ser algún otro dispositivo mecánico).
Tubo de corriente
El rotor de una turbina eólica obviamente debe frenar al viento cuando captura su energía cinética y la convierte en energía rotacional. Esto significa que si el viento está soplando de derecha a izquierda, el mismo se moverá más lentamente a la izquierda del rotor que a la derecha del rotor.
Puesto que la cantidad de aire que entra cada segundo a través del área barrida por el rotor desde la derecha debe ser la misma que la cantidad de aire que sale de la zona del rotor a la izquierda, el aire tiene que ocupar una mayor sección transversal (diámetro) detrás del plano del rotor.
En la imagen anterior hemos ilustrado esto mostrando un tubo imaginario, llamado tubo de corriente alrededor del rotor de la turbina eólica. El tubo de corriente muestra cómo el viento que en la imagen se mueve más lentamente hacia la izquierda ocupará un volumen más grande detrás del rotor.
El viento no será frenado inmediatamente hasta su velocidad final detrás del plano del rotor. La ralentización se producirá gradualmente detrás del rotor, hasta que la velocidad llega a ser casi constante.
Distribución de presión de aire delante y detrás del rotor
En el eje vertical del gráfico se muestra la presión de aire, mientras que el eje horizontal indica la distancia desde el plano del rotor. El viento sopla desde la derecha, y el rotor se encuentra en el centro de la gráfica.
A medida que el viento se acerca al rotor desde la derecha la presión del aire aumenta gradualmente ya que el rotor actúa como una barrera contra el viento. Tenga en cuenta que la presión del aire caerá inmediatamente detrás del plano del rotor (a la izquierda). Luego, la presión se incrementa gradualmente hasta alcanzar el nivel de presión normal de aire en el área.
Si nos movemos corriente abajo, la turbulencia en el viento hará que el viento más lento lento detrás del rotor se mezcle con el viento más rápido del área circundante. Por lo tanto, la sombra de viento detrás del rotor disminuye gradualmente a medida que nos alejamos de la turbina.
¿Por qué no un tubo de corriente cilíndrico?
Usted puede objetar la explicación sobre el tubo de corriente anterior diciendo que una turbina giraría incluso si la colocara dentro de un tubo cilíndrico normal, como el que se muestra en la imagen de abajo. ¿Por qué insistimos en que el tubo de corriente tiene forma de botella?
Por supuesto que estaría en lo correcto en que el rotor de la turbina podría girar si se lo coloca dentro de un tubo de vidrio grande como, pero vamos a considerar lo que sucedería:
El viento a la izquierda del rotor se mueve con una menor velocidad que el viento a la derecha del rotor. Pero al mismo tiempo sabemos que el volumen de aire que entra cada segundo en el tubo por la derecha debe ser el mismo que el volumen de aire que sale del tubo a la izquierda. Por lo tanto, se puede deducir que si dentro del tubo hay algún obstáculo al viento (en este caso nuestro rotor), entonces una parte del aire procedente de la derecha debe ser desviado de la entrada del tubo (debido a la alta presión de aire en el extremo derecho del tubo).
Por lo tanto, el tubo cilíndrico no es una imagen exacta de lo que ocurre con el viento cuando se encuentra una turbina eólica. El modelo de un tubo de corriente en forma de botella descripto anteriormente es la imagen correcta.