La energía disponible en una masa de aire en movimiento puede derivarse expresando la energía cinética en un cilindro continuo de aire, de base A (m^2), desplazándose a velocidad media v (m/s). La potencia mecánica (razón de cambio de la energía) puede entonces expresarse en función de flujo volumétrico de aire (como se muestra en la ecuación 1, donde r es la densidad del aire en kg/m3 ).

La ecuación anterior da cuenta de la potencia mecánica disponible en el viento a barlovento de la turbina (inmediatamente en frente del rotor) y puede ser usada para comparar diferentes sitios para aeroturbinas. Las aeroturbinas están diseñadas para captar parte de esta potencia.

Una turbina eólica tendrá disponible más energía para transformar en potencia mecánica y consecuentemente en electricidad cuanto más grande sea su rotor, más denso el aire y más rápido éste se desplace en contra del rotor de la turbina.

La potencia que efectivamente capta una turbina eólica es igual a la diferencia entre la potencia disponible en el viento a barlovento y sotavento. Por supuesto, no toda la energía o potencia disponible en el viento puede ser capturada por la turbina, pues de ser así la masa de aire que se desplaza en contra del rotor de la turbina se detendría inmediatamente después de las palas, lo que impediría la circulación del aire y detendría la turbina. En el otro extremo, la turbina podría dejar pasar la masa de aire libremente sin disminuir su velocidad, en cuyo caso tampoco captaría energía alguna del viento. Se puede demostrar que para maximizar la potencia captada, la potencia disponible a sotavento debe ser 1/3 de la disponible a barlovento. Esto se traduce en que el máximo teórico de energía cinética que puede ser captada por una turbina eólica es 59% pero en diseños prácticos raramente supera el 50%.

Como muestra la ecuación anterior, la potencia disponible en el eje del generador varía con el cubo de la velocidad del viento. Tomado como ejemplo un valor de eficiencia de rotor Cp igual a 0,45 y una densidad del aire de 1,2 kg/m3, la potencia en eje del generador por cada 1000 m² de área barrida (~35,7 m de diámetro) es aproximadamente 0,270v3 kW. La tabla de la página siguiente muestra algunos valores de potencia en el eje del generador para varias condiciones de viento. Obsérvese la enorme variación en potencia mecánica disponible en el generador.

Dado que el viento es variable, la turbina debe ser diseñada de manera de garantizar la seguridad de la instalación y de optimizar su salida de potencia eléctrica dentro de un rango limitado de velocidad de viento. Fuera de este rango, la turbina es detenida por razones económicas o de seguridad.

El diseño aerodinámico de la palas del rotor es relevante, pues determina la capacidad de la turbina para captar la potencia del viento.

Las palas de la turbina son fabricadas de madera de alta densidad o fibra de vidrio y son el punto mecánico más débil de la turbina, producto de la continua vibración y el esfuerzo mecánico debido a la fuerza centrífuga. El esfuerzo mecánico sobre las palas debe ser controlado para proteger la integridad de la turbina como también para controlar la potencia aplicada al eje del generador y evitar así una sobrecarga de las partes eléctricas.

Las nuevas turbinas permiten un grado avanzado de control de la potencia disponible en el eje del generador.

Conversión electromecánica

Una vez que la potencia del viento es transformada en potencia mecánica disponible en el eje del generador, el proceso de conversión electromecánica puede realizarse a través de un generador eléctrico síncrono o asín-crono, distinguiéndose además entre turbinas de velocidad constante y de velocidad variable.

En las turbinas de velocidad constante, la velocidad angular del rotor es fija y queda determinada por la frecuencia de la red, el número de polos del generador y el eventual uso de una caja de cambios entre el rotor de la turbina y el generador. En general, las turbinas de velocidad constante son eléctricamente más simples y mecánicamente más robustas, puesto que están expuestas a mayores esfuerzos mecánicos.

En algunas aplicaciones, máquinas síncronas son utilizadas como generador en turbinas eólicas. Los enrollados del estator son conectados directamente a la red y, por consiguiente, la velocidad de giro de la máquina queda determinada por la frecuencia de la red. El campo de la máquina, en el rotor, debe ser alimentado con corriente continua, siendo escobillas y anillos necesarios. Esta alternativa ofrece la potencial ventaja de excluir el uso de una caja de cambios para ajustar la velocidad de giro del generador y de no requerir compensación reactiva, ya que el campo provee la corriente de magne-tización. La desventaja es que la única variable de control es la corriente de campo y que durante transientes en la red la máquina puede perder sincronismo.