Un molino que bombea agua, un velero que avanza y un aerogenerador que produce electricidad aprovechan el movimiento del aire de maneras distintas. Explora sus usos, resuelve cálculos y descubre por qué más viento no siempre significa más electricidad.
La energía eólica es la energía cinética del viento
Puede transformarse en trabajo mecánico o electricidad. Es un recurso renovable: los procesos atmosféricos renuevan el movimiento del aire. Eso no significa que sople siempre ni con igual intensidad en un lugar. El calentamiento desigual de la superficie terrestre contribuye a producir diferencias de presión y circulación atmosférica.
Los ocho primeros ejemplos muestran aplicaciones del viento. La secadora y la desinfección del agua se explican como contrastes. Los problemas usan cifras didácticas, no mediciones de instalaciones reales.
Usos del viento y casos límite
EJEMPLO 01
Elegir el terreno para un parque eólico
Dos terrenos abiertos pueden tener recursos eólicos muy diferentes. Las montañas pueden canalizar el aire, pero también crear zonas de sombra y turbulencia.
No basta con que el terreno esté rodeado de montañas.
Se estudian velocidad, dirección, obstáculos y variación del viento antes de elegir la ubicación.
Resultado: Importa el viento medido a la altura del rotor
Condiciones: Un paisaje aparentemente ventoso no demuestra por sí solo una producción rentable ni constante.
EJEMPLO 02
Un tornado: energía sin aprovechamiento normal
El aire de un tornado posee energía cinética, pero su movimiento extremo y cambiante puede dañar estructuras. No es un recurso operativo para un aerogenerador convencional.
Distingue la energía del fenómeno de la capacidad de una máquina para captarla.
No se extrapola una fórmula de potencia hasta cualquier velocidad.
Resultado: Viento intenso no equivale a electricidad aprovechable
Condiciones: Es un caso límite del viento, no una aplicación de generación ni una invitación a acercarse al fenómeno.
EJEMPLO 03
Un huracán y la parada de una turbina
Ante vientos que superan su intervalo de operación, una turbina puede reducir potencia y detenerse según su diseño y control.
El ajuste de las palas limita la captación.
La velocidad de parada no es la misma que la resistencia máxima de la estructura.
Resultado: La protección puede exigir dejar de producir
Condiciones: Los umbrales dependen del modelo. Parar reduce riesgos, pero no garantiza resistir cualquier tormenta; lluvia, oleaje y cargas también pueden importar.
EJEMPLO 04
Electricidad para una comunidad rural
Una instalación eólica puede alimentar parte de los consumos de una comunidad, conectada a la red o integrada en un sistema aislado.
El generador transforma el giro en electricidad.
La red, el almacenamiento u otras fuentes ayudan a cubrir los periodos sin producción suficiente.
Condiciones: No se promete suministro continuo solo por instalar una turbina. Deben compararse generación y demanda a lo largo del tiempo.
EJEMPLO 05
Una industria recibe energía de origen eólico
Una fábrica puede consumir electricidad procedente de generación eólica a través de una instalación propia o del sistema eléctrico.
No es necesario esperar a un futuro hipotético para describir esta aplicación.
Cubrir una energía anual equivalente no significa cubrir cada hora de demanda.
Resultado: Contribución al suministro, con producción variable
Condiciones: Es un ejemplo de uso, sin pronóstico sobre cuotas futuras ni garantía de abastecimiento exclusivo.
EJEMPLO 06
Las palas hacen girar un generador
El flujo de aire ejerce fuerzas aerodinámicas sobre las palas y hace girar el rotor. Este mueve el generador mediante transmisión o acoplamiento directo.
El rotor recibe solo una fracción de la potencia disponible en el viento.
Parte de la potencia captada se pierde antes de obtener electricidad útil.
Resultado: Energía cinética del aire → rotación → electricidad
Condiciones: No toda energía eólica termina como electricidad: puede utilizarse directamente como trabajo mecánico.
EJEMPLO 07
La brisa ayuda a secar ropa tendida
Una brisa puede retirar el aire húmedo cercano a una prenda y favorecer que continúe evaporándose agua.
La evaporación necesita energía, aportada por la prenda, el aire y el entorno, incluida la radiación solar cuando la hay.
La humedad y la temperatura también influyen.
Resultado: El aire renovado facilita la evaporación
Condiciones: Es un efecto útil del viento, no generación eléctrica. No hace falta sol directo para secar, ni basta cualquier viento si el aire está muy húmedo.
EJEMPLO 08
Secado de frutos y semillas con ventilación natural
En un secado natural, el aire que circula puede llevarse vapor de agua; el entorno y la radiación solar aportan energía para evaporarla.
Se combinan transporte de humedad y transferencia de energía.
Un ventilador eléctrico produciría circulación forzada con otra fuente de energía.
Resultado: El viento favorece la salida de humedad
Condiciones: Este ejemplo explica el proceso físico. No establece tiempos de conservación, higiene ni un procedimiento de preparación de alimentos.
Molinos, navegación y eólica marina
EJEMPLO 09
Un molino muele grano
En un molino tradicional, el giro de las aspas se transmite a las muelas para triturar grano.
La transformación útil es mecánica.
No hace falta producir electricidad como etapa intermedia.
Resultado: Viento → giro → trabajo sobre el grano
Condiciones: El funcionamiento depende del viento y del mecanismo de transmisión.
EJEMPLO 10
Un molino bombea agua
Una bomba movida por viento eleva 200 kg de agua una altura de 5 m. Usa g = 9,8 m/s².
E útil = mgh = 200 × 9,8 × 5 = 9 800 J.
E útil = 9,8 kJ.
Resultado: El agua gana energía potencial gravitatoria
Condiciones: Se calcula solo el aumento de energía potencial. El viento debe aportar más energía por las pérdidas de la bomba y las tuberías.
EJEMPLO 11
Un velero avanza
Las fuerzas aerodinámicas sobre las velas, junto con la interacción del casco y la quilla con el agua, permiten el avance.
No hay una conversión obligatoria en electricidad.
El rumbo y el ajuste de las velas modifican la fuerza aprovechable.
Resultado: El viento puede realizar trabajo sobre la embarcación
Condiciones: El barco no navega únicamente porque el viento lo empuje por detrás; el movimiento depende de fuerzas del aire y del agua.
EJEMPLO 12
Aerogeneradores en el mar
Un parque eólico marino utiliza rotores elevados sobre el agua para accionar generadores. Su electricidad se transporta mediante cables.
No se alimenta directamente del oleaje ni de las mareas.
La instalación exige considerar también el entorno marino y sus cargas.
Resultado: La fuente sigue siendo el viento
Condiciones: Eólica marina, undimotriz y mareomotriz designan aprovechamientos diferentes.
Ocho ejemplos con cálculos
EJEMPLO 13
Calcular el área que barre el rotor
Un rotor tiene 20 m de diámetro. Usa π ≈ 3,1416.
Radio: r = 20/2 = 10 m.
Área: A = πr² ≈ 3,1416 × 10² = 314,16 m².
Resultado: Área barrida ≈ 314,16 m²
Condiciones: Es el disco recorrido por las palas, no la suma de sus superficies. Es una geometría ideal circular perpendicular al flujo.
EJEMPLO 14
Del viento disponible a la potencia eléctrica
Supón aire de densidad ρ = 1,2 kg/m³, área A = 100 m² y velocidad v = 6 m/s. El rotor capta Cp = 0,40 y la transmisión más generador tiene rendimiento η = 0,90.
P viento = ½ρAv³ = 0,5 × 1,2 × 100 × 6³ = 12 960 W.
P rotor = Cp × P viento = 0,40 × 12 960 = 5 184 W.
P eléctrica = η × P rotor = 0,90 × 5 184 = 4 665,6 W = 4,6656 kW.
Resultado: Potencia eléctrica ≈ 4,67 kW
Condiciones: Flujo uniforme perpendicular al disco, valores constantes y equipo dentro de su régimen operativo; se omiten consumos auxiliares. Cp se define aquí en el rotor, separado de η.
EJEMPLO 15
Duplicar la velocidad del viento
Compara v = 4 m/s y v = 8 m/s, con ρ = 1,2 kg/m³ y A = 100 m².
A 4 m/s: P viento = 0,5 × 1,2 × 100 × 4³ = 3 840 W.
A 8 m/s: P viento = 0,5 × 1,2 × 100 × 8³ = 30 720 W.
Relación: (8/4)³ = 8.
Resultado: La potencia disponible se multiplica por ocho
Condiciones: Se compara potencia del viento. La potencia eléctrica no tiene por qué multiplicarse por ocho si cambian Cp, el rendimiento o la regulación.
EJEMPLO 16
Duplicar el diámetro del rotor
Compara rotores de 10 y 20 m de diámetro.
A₂/A₁ = (D₂/D₁)² = (20/10)² = 4.
A igual densidad y velocidad, el segundo disco recibe cuatro veces la potencia del viento.
Resultado: El área se multiplica por cuatro
Condiciones: No se asegura cuatro veces la producción eléctrica anual: también importan diseño, control, emplazamiento y disponibilidad.
EJEMPLO 17
Cambiar la densidad del aire
Mantén A = 100 m² y v = 5 m/s. Compara densidades didácticas de 1,2 y 0,9 kg/m³.
Con 1,2 kg/m³: P viento = 0,5 × 1,2 × 100 × 5³ = 7 500 W.
Con 0,9 kg/m³: P viento = 0,5 × 0,9 × 100 × 5³ = 5 625 W.
Reducción: (7 500 − 5 625)/7 500 = 0,25 = 25 %.
Resultado: La potencia disponible disminuye un 25 %
Condiciones: Las densidades son datos del ejercicio, no valores universales para dos altitudes concretas.
EJEMPLO 18
Calcular la energía producida durante varias horas
Un equipo entrega una potencia eléctrica media de 1,5 kW durante 4 h.
E = P media × t = 1,5 × 4 = 6 kWh.
Como 1 kWh = 3,6 MJ, E = 6 × 3,6 = 21,6 MJ.
Resultado: Energía eléctrica = 6 kWh = 21,6 MJ
Condiciones: La potencia media debe corresponder a esas cuatro horas. No se sustituye automáticamente por la potencia nominal.
EJEMPLO 19
Distinguir potencia nominal y producción anual
Una turbina de 2 MW nominales produce 5 256 MWh en un año de 8 760 h.
Producción a potencia nominal todo el año: 2 × 8 760 = 17 520 MWh.
Factor de capacidad = 5 256/17 520 = 0,30 = 30 %.
Resultado: Factor de capacidad = 30 %
Condiciones: Datos ficticios para practicar. El factor de capacidad no es el rendimiento del generador ni el porcentaje de energía cinética que capta el rotor.
EJEMPLO 20
Sumar periodos con producción diferente
En cuatro intervalos consecutivos, un equipo entrega 0 kW durante 2 h, 1 kW durante 3 h, 2 kW durante 2 h y 1 kW durante 1 h.
E = 0 × 2 + 1 × 3 + 2 × 2 + 1 × 1 = 8 kWh.
Tiempo total: 2 + 3 + 2 + 1 = 8 h.
Potencia media: 8 kWh / 8 h = 1 kW.
Resultado: Energía total = 8 kWh
Condiciones: Son potencias eléctricas medias por intervalo. Los periodos sin producción cuentan para el promedio; no se promedian las cuatro potencias sin ponderar sus duraciones.
Las barras representan etapas de la misma transformación y no se suman. Parte de la energía permanece en el aire; también hay pérdidas en el equipo. Aquí la salida eléctrica representa el 36 % de la potencia disponible en el viento.
Fórmulas, unidades y límites
Área del disco: A = πr² = πD²/4. r es el radio y D el diámetro.
Potencia disponible en el viento: P viento = ½ρAv³. ρ es la densidad del aire y v la velocidad del flujo no perturbado que llega al rotor.
Potencia mecánica captada: P rotor = Cp × P viento. En este artículo Cp es el coeficiente aerodinámico del rotor.
Potencia eléctrica: P eléctrica = η × P rotor. η representa las pérdidas posteriores al rotor; no se cuenta otra vez una pérdida ya incluida en un coeficiente global.
Energía: E = P media × t. Si la potencia varía por tramos, se suman las energías de cada tramo.
Factor de capacidad: FC = E real / (P nominal × tiempo total). Se usan unidades compatibles y se incluyen las horas sin producción.
Con ρ en kg/m³, A en m² y v en m/s, la potencia se obtiene en W. 1 kW = 1 000 W; 1 MW = 1 000 kW. La energía se expresa en J, kWh o MWh: 1 kWh = 3,6 MJ. kW y kWh no son intercambiables.
La dependencia cúbica corresponde al flujo de energía del viento. Una máquina real tiene una curva de potencia: comienza a producir a partir de cierta velocidad, regula su salida y puede parar con viento excesivo. Los umbrales y el coeficiente Cp no son universales ni constantes en todo régimen. El límite ideal de Betz para un rotor aislado en flujo libre es Cp ≤ 16/27 ≈ 0,593; no describe la eficiencia eléctrica total ni se aplica sin más a dispositivos confinados.
Para estimar producción anual se necesita la distribución temporal del viento y el comportamiento de la máquina. Elevar al cubo una velocidad media no equivale, en general, a promediar el cubo de sus velocidades.
Partes de un aerogenerador
El eje horizontal con tres palas es una configuración habitual, no la única que produce electricidad. Un parque reúne varios equipos y su conexión eléctrica. En una máquina con multiplicador se distinguen:
Rotor: palas y buje; recibe las fuerzas del aire.
Góndola: aloja equipos sobre la torre.
Torre: sostiene el conjunto elevado.
Anemómetro y veleta: miden velocidad y dirección del viento.
Eje principal: transmite el giro del rotor.
Multiplicador y eje secundario: adaptan y transmiten la velocidad de giro hacia el generador.
Generador o alternador: transforma potencia mecánica en eléctrica.
Control de paso: ajusta las palas para regular la captación.
Freno mecánico: ayuda a mantener detenido el rotor tras la parada controlada.
Mecanismo de orientación: gira la góndola para enfrentar el rotor al viento en los diseños que lo utilizan.
Cables y transformadores: conducen la electricidad y adaptan la tensión para su transporte.
En una turbina de acoplamiento directo no hay multiplicador. Las velocidades de giro y la relación de engranajes dependen del modelo; 20 y 1 500 rpm no son valores obligatorios. Elevar tensión no crea energía.
Un rotor de tres palas
Aerogenerador con rotor y torre que aprovecha la energía del viento.
Dos casos que conviene distinguir
CONTRASTE 01
El aire de una secadora no demuestra origen eólico
En una secadora, un ventilador mueve aire y el equipo aporta energía para retirar humedad.
El movimiento del aire procede del motor que acciona el ventilador.
Solo se hablaría de electricidad de origen eólico si esa procedencia estuviera acreditada.
Resultado: Aire en movimiento producido por un motor ≠ viento natural aprovechado
Condiciones: La circulación de aire no convierte por sí sola al aparato en un ejemplo de aprovechamiento eólico.
CONTRASTE 02
El viento no desinfecta el agua
No se debe atribuir al viento la eliminación de microorganismos en agua expuesta al sol.
La desinfección solar se apoya en radiación y efectos térmicos bajo condiciones específicas.
Mover aire o agitar agua no demuestra que esta sea potable.
Resultado: La desinfección solar corresponde a radiación y condiciones del tratamiento
Condiciones: Se corrige una atribución física; no se ofrece un protocolo de tratamiento ni se asegura eliminar contaminantes químicos.
Seis ejercicios para practicar
Un rotor de 10 m de diámetro barre un disco. Usa π ≈ 3,1416 y calcula su área.
Calcula la potencia del viento con ρ = 1,2 kg/m³, A = 50 m² y v = 4 m/s.
Un rotor recibe 10 000 W de potencia del viento; Cp = 0,40 y η = 0,90. Calcula la potencia eléctrica.
Una turbina entrega 3 kW medios durante 2 h. Calcula la energía en kWh y MJ.
A igual densidad y área, el viento pasa de 5 a 10 m/s. ¿Por cuánto cambia su potencia disponible?
Un equipo de 1 MW nominal entrega 2 190 MWh en 8 760 h. Calcula su factor de capacidad.
Ver soluciones explicadas
r = 5 m; A = 3,1416 × 5² = 78,54 m².
P viento = 0,5 × 1,2 × 50 × 4³ = 1 920 W.
P rotor = 4 000 W; P eléctrica = 3 600 W = 3,6 kW.
E = 3 × 2 = 6 kWh = 21,6 MJ.
(10/5)³ = 8. No asegura multiplicar por ocho la potencia eléctrica.
FC = 2 190/(1 × 8 760) = 0,25 = 25 %. No es rendimiento aerodinámico.
Errores frecuentes
Confundir potencia con energía: especifica si hablas de kW o de kWh.
Usar la superficie de las palas como área barrida: calcula el disco recorrido por el rotor.
Suponer conversión completa: distingue viento, rotor y salida eléctrica.
Confundir Cp con factor de capacidad: uno compara potencias del proceso; el otro compara producción durante un periodo con la nominal continua.
Creer que todo aire movido es energía renovable: identifica qué lo pone en movimiento.
Extrapolar la ley cúbica sin límites: una turbina regula su producción y puede detenerse.
Suponer suministro constante por ser renovable: comprueba variabilidad y demanda.
