El cálculo de potencia eólica requiere conocer velocidad del viento, densidad del aire y características del aerogenerador.
Este artículo técnico incluye fórmulas, tablas comunes y casos reales según normativas internacionales actualizadas.
Potencia Generada por un Aerogenerador
Tabla de valores comunes para cálculo de potencia eólica
A continuación, se presenta una tabla con los valores más comunes utilizados en el diseño, selección y simulación de aerogeneradores. Esta tabla es especialmente útil para ingenieros eléctricos, mecánicos y energéticos en fases de dimensionamiento.
Tabla 1. Parámetros comunes para cálculo de potencia generada por un aerogenerador
| Variable | Rango típico | Unidad | Descripción |
|---|---|---|---|
| Velocidad del viento (v) | 3 – 25 | m/s | Velocidad efectiva a la altura del rotor |
| Densidad del aire (ρ) | 1.20 – 1.25 | kg/m³ | Depende de la altitud y temperatura |
| Radio del rotor (R) | 20 – 80 | m | Longitud desde el centro hasta el extremo de la pala |
| Área del rotor (A) | 1,256 – 20,106 | m² | A = π·R², superficie barrida por el rotor |
| Coeficiente de potencia (Cp) | 0.25 – 0.45 (máx. teórico ≈ 0.593) | adimensional | Rendimiento aerodinámico del aerogenerador |
| Potencia nominal del aerogenerador | 100 – 5,000 | kW | Máxima potencia que puede generar |
| Altura del buje (hub height) | 40 – 120 | m | Afecta la velocidad del viento efectiva |
| Temperatura ambiental | -10 – 40 | °C | Influye en la densidad del aire |
| Altitud sobre el nivel del mar | 0 – 3,000 | m | Afecta la presión y densidad del aire |
| Rugosidad del terreno (z₀) | 0.0002 – 1.0 | m | Determina perfil vertical del viento según tipo de superficie |
Fórmulas para cálculo de la potencia generada por un aerogenerador
El principio físico detrás de la generación de energía eólica se basa en la transformación de la energía cinética del viento en energía mecánica mediante un rotor, y posteriormente en energía eléctrica a través de un generador.
1. Energía cinética del viento
La energía cinética del viento que atraviesa una superficie es:
Donde:
2. Flujo de masa de aire
3. Potencia disponible en el viento
Esta es la potencia total disponible antes de considerar pérdidas.
4. Potencia útil extraída por el aerogenerador
Donde:
5. Potencia eléctrica generada
Donde:
6. Cálculo de área barrida por el rotor
- R = radio del rotor
Explicación detallada de cada variable
1. Velocidad del viento (v)
- Factor más crítico.
- Se eleva al cubo en la fórmula de potencia.
- Se mide a 10 m o altura del buje.
- Recomendable usar promedios anuales o perfiles verticales de viento.
2. Densidad del aire (ρ)
- Depende de la altitud, temperatura y presión.
- A nivel del mar: 1.225 kg/m³ (a 15°C).
- En Bogotá (~2,600 msnm): ~1.0 kg/m³.
3. Área barrida (A)
- Crece con el cuadrado del radio del rotor.
- Aerogeneradores grandes tienen mayor eficiencia energética.
4. Coeficiente de potencia (Cp)
- Límite de Betz: 0.593 (ideal teórico).
- Práctico: 0.3 – 0.45 en aerogeneradores modernos.
5. Eficiencia total (ηtotal)
- Considera pérdidas internas del sistema.
- Típico: 0.85 – 0.95.
Ejemplos del mundo real: cálculo completo
Caso 1: Parque eólico costero (baja altitud)
Datos:
- Velocidad promedio del viento: 8 m/s
- Radio del rotor: 40 m
- Densidad del aire: 1.225 kg/m³
- Coeficiente de potencia: 0.42
- Eficiencia total: 90%
Cálculos:
- Área barrida:
- Potencia extraída:
- Potencia eléctrica generada:
Resultado: El aerogenerador genera aproximadamente 597.4 kW.
Caso 2: Aerogenerador en zona andina (alta altitud)
Datos:
- Ubicación: Altitud de 2,600 m (Bogotá)
- Velocidad del viento: 6 m/s
- Densidad del aire: 1.0 kg/m³
- Radio del rotor: 25 m
- Cp: 0.35
- ηtotal: 0.88
Cálculos:
- Área barrida:
- Potencia extraída:
- Potencia eléctrica:
Resultado: Se generan aproximadamente 65.4 kW, menor por altitud y menor viento.
Factores que afectan la potencia generada
- Altura del aerogenerador: La velocidad del viento aumenta con la altura.
- Rugosidad del terreno: Superficies planas (mar, desierto) tienen vientos más constantes.
- Sombras del viento: Obstáculos cercanos generan turbulencias.
- Curva de potencia: Cada modelo de aerogenerador tiene un umbral mínimo y un punto de corte superior.
Normativas y estándares relevantes
Para garantizar exactitud, seguridad y viabilidad del cálculo y operación de aerogeneradores, se deben considerar normativas técnicas:
- IEC 61400 – International Electrotechnical Commission: Requisitos de diseño de aerogeneradores.
- IEC 61400-1: Diseño mecánico y estructural.
- ASME PTC 42 – Estándar para pruebas de rendimiento de aerogeneradores.
- ISO 2533 – Atmósfera estándar internacional (densidad del aire).
- WMO – Organización Meteorológica Mundial (medición del viento).
Recursos útiles y enlaces de autoridad
- Global Wind Atlas – Mapa interactivo de velocidades de viento globales.
- IRENA – Agencia Internacional de Energía Renovable: bases de datos técnicas.
- NREL – Laboratorio Nacional de Energía Renovable (EE.UU.): datos, curvas y estudios.
- IEC Standards – Normativas oficiales para diseño y cálculo.
Herramientas y software para simulación de generación eólica
El uso de software especializado es fundamental para realizar simulaciones precisas, evaluar curvas de potencia, modelar comportamiento aerodinámico y predecir el rendimiento energético de un parque eólico.
Software más utilizados en la industria:
| Software | Aplicaciones principales | Nivel de precisión | Gratuito/Comercial |
|---|---|---|---|
| WAsP | Análisis del recurso eólico, cálculo de potencia anual | Alta | Comercial |
| WindPRO | Simulación de parques eólicos, estudios de impacto, cálculos energéticos | Muy alta | Comercial |
| HOMER Pro | Optimización de sistemas híbridos con aerogeneración | Alta | Comercial |
| RETScreen | Análisis técnico y financiero de proyectos renovables | Media | Gratuito |
| QBlade | Simulación aerodinámica basada en BEM (Blade Element Momentum) | Alta | Gratuito/Open Source |
| MATLAB + Simulink | Modelado dinámico de aerogeneradores y control vectorial | Muy alta | Comercial |
Puedes descargar RETScreen desde Natural Resources Canada
Comparativa de potencia generada según variables clave
Para tener una visión más clara de cómo influye cada variable en la potencia generada, la siguiente tabla compara diversos escenarios realistas:
Tabla 2. Comparativa de potencia generada con distintas condiciones
| Caso | Velocidad del viento (m/s) | Densidad del aire (kg/m³) | Radio del rotor (m) | Cp | Eficiencia total (%) | Potencia generada (kW) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| A | 5 | 1.20 | 30 | 0.4 | 90 | 76.3 |
| B | 7 | 1.20 | 30 | 0.4 | 90 | 210.4 |
| C | 9 | 1.20 | 30 | 0.4 | 90 | 407.6 |
| D | 7 | 1.10 | 30 | 0.4 | 90 | 192.9 |
| E | 7 | 1.20 | 40 | 0.4 | 90 | 374.1 |
Observación: Un aumento del radio de 30 a 40 m incrementa significativamente la potencia generada, debido a la relación cuadrática del área barrida.
Recomendaciones técnicas para maximizar la generación eólica
Para optimizar el diseño y selección de un aerogenerador, considera las siguientes recomendaciones:
1. Ubicación óptima
- Realizar estudios de viento de al menos 1 año.
- Usar torres de medición con sensores a distintas alturas.
- Validar con datos satelitales y software como WAsP o WindAtlas.
2. Altura del buje
- Cada 10 m adicionales pueden aumentar hasta un 10% la producción.
- Ideal: entre 80 y 120 m según obstáculos y rugosidad.
3. Selección del aerogenerador adecuado
- Usar curvas de potencia certificadas por IEC.
- Considerar aerogeneradores diseñados para baja velocidad si v < 6 m/s.
4. Mantenimiento y monitoreo
- Instalar sistemas SCADA para monitoreo en tiempo real.
- Aplicar mantenimiento predictivo para minimizar paradas y pérdidas.
5. Normativas locales
- Verifica requerimientos ambientales y eléctricos de conexión a red.
- En Colombia, aplica la Resolución CREG 030 de 2018 (regulación autogeneradores).
Curva de potencia de un aerogenerador típico
Los aerogeneradores tienen tres zonas de operación:
- Velocidad de arranque (cut-in): típicamente entre 3 y 4 m/s.
- Velocidad nominal: donde se alcanza la máxima potencia (usualmente entre 12 y 14 m/s).
- Velocidad de corte (cut-out): entre 20 y 25 m/s; el sistema se desconecta para protegerse.
| Velocidad del viento (m/s) | Potencia generada (kW) |
|---|---|
| 0 – 3 | 0 |
| 4 | 50 |
| 6 | 150 |
| 8 | 350 |
| 10 | 600 |
| 12 | 850 |
| 14 – 20 | 1,000 (constante) |
| > 20 | 0 (parada de seguridad) |
Nota: Esta curva varía según fabricante. Siempre utilizar la certificada para el modelo específico.
Consideraciones económicas y financieras
El cálculo de potencia está directamente vinculado al análisis financiero:
- Energía anual generada (kWh/año):
- Donde hefectivas son las horas equivalentes al año, típicamente 2,000 – 3,500 horas/año según recurso.
- Ingresos anuales:
- Payback o retorno de inversión:
Conclusión técnica y recomendaciones finales
El cálculo de la potencia generada por un aerogenerador es un proceso que requiere precisión técnica y conocimiento multidisciplinario en aerodinámica, meteorología, electromecánica y análisis económico. Aplicando correctamente las fórmulas mostradas, usando datos realistas, considerando normativas internacionales y herramientas de simulación, es posible predecir y optimizar el desempeño de sistemas eólicos para cualquier escala: desde microgeneradores rurales hasta parques eólicos industriales.
El conocimiento profundo del recurso eólico local, junto con el uso de modelos certificados y mantenimiento riguroso, permitirá garantizar una generación eficiente, segura y rentable a largo plazo.