El límite de eficiencia energética de una turbina eólica
Tendemos a pensar que con una máquina ideal podemos transformar el 100% de la energía y que en la realidad, contando con los rozamientos y otros defectos, pues estaríamos entorno al 90% de eficiencia. Sin embargo esto no es así para algunos motores. Existen otros límites físicos que impiden llegar a esos números tan altos.
Hoy vamos a ver el límite teórico de la eficiencia energética de una turbina eólica.
La energía contenida en el viento es la energía cinética de la masa del aire moviéndose. Un metro cúbico de aire a 15ºC y a una presión normal pesa 1,225 kg. La energía cinética es la mitad de la masa multiplicado por el cuadrado de la velocidad. Como la masa es constante quiere decir que una turbina toma energía del aire haciendo que esta se ralentice, parte de la energía pasará a las aspas que comenzarán a moverse.
Pero ¿puede una turbina perfecta tomar toda la energía del aire? Si esto fuera posible quiere decir que el aire, una vez que pasa a través de las aspas se quedaría totalmente inmóvil. Ya la intuición nos hace pensar que algo falla. La explicación es que no se puede quedar completamente quieto ya que tiene que dejar espacio para el siguiente volumen de aire.
En la realidad lo que sucede es algo como lo de la siguiente imagen.
Esta imagen esta tomada de la magnífica página http://www.windpower.org/en/ de la Asociación Danesa de la Industria del Viento. Podemos ver que el aire que llega por la derecha V1, al pasar por la turbina y perder velocidad hasta llegar a V2 lo que hace es ocupar más espacio, no es que se expanda sino que se va acumulando más masa de aire por ir más despacio. Si ocupara el mismo volumen a la derecha y a la izquierda quiere decir que las dos masas van a la misma velocidad y por tanto no hemos aprovechado ninguna energía para mover las aspas.
El límite teórico lo definió el físico alemán Albert Betz en 1919 en su libro "la energía del viento" en donde demostraba que el máximo aprovechamiento teórico es del 59%. A esta ley se la conoce por su nombre, la ley de Betz.