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Energía eólica
¿De dónde viene la energía eólica?
Todas las fuentes de energía renovables (excepto la maremotriz y la geotérmica), e incluso la energía de los combustibles fósiles, provienen, en último término, del sol. El sol irradia 174.423.000.000.000 kWh de energía por hora hacia la Tierra. En otras palabras, la Tierra recibe 1,74 x 10 17 W de potencia. 1)
Alrededor de un 1 a un 2 por ciento de la energía proveniente del sol es convertida en energía eólica. Esto supone una energía alrededor de 50 a 100 veces superior a la convertida en biomasa por todas las plantas de la tierra. 2)
Las diferencias de temperatura conllevan la circulación de aire
Las regiones alrededor del ecuador, a 0° de latitud, son calentadas por el sol más que las zonas del resto del globo. Estas áreas calientes están indicadas en colores cálidos, rojo, naranja y amarillo, en esta imagen de rayos infrarrojos de la superficie del mar (tomada de un satélite de la NASA, NOAA-7, en julio de 1984).
El aire caliente es más ligero que el aire frío, por lo que subirá hasta alcanzar una altura aproximada de 10 km y se extenderá hacia el norte y hacia el sur. Si el globo no rotase, el aire simplemente llegaría al Polo Norte y al Polo Sur, para posteriormente descender y volver al ecuador.
1) La potencia emitida por el Sol sobre la superficie de la esfera que tiene al Sol como su centro y el radio promedio de la trayectoria terrestre es de 1.37 kW/m 2 . La potencia incide sobre un disco circular con un área de 1.27 x 10 14m 2 . La potencia emitida a la Tierra es, por tanto, de 1.74 x 10 17 W.
2) En promedio, la producción primaria neta de las plantas está alrededor de 4.95 x 10 6 calorías por metro cuadrado y por año. Esto la producción primaria neta global , es decir, la cantidad de energía disponible en todos los posteriores eslabones de la cadena alimenticia/energética. El área de la superficie de la Tierra es de 5.09 x 10 14 m 2 . Así pues, la cantidad de potencia neta almacenada por las plantas es de 1.91 x 10 13 W, lo cual equivale al 0.011% de la potencia emitida a la Tierra. Puede encontrar el factor de conversión entre las unidades energéticas calorías y Julios en el manual de referencia.
La fuerza de Coriolis
Debido a la rotación del globo, cualquier movimiento en el hemisferio norte es desviado hacia la derecha, si se mira desde nuestra posición en el suelo (en el hemisferio sur es desviado hacia la izquierda). Esta aparente fuerza de curvatura es conocida como fuerza de Coriolis (debido al matemático francés Gustave Gaspard Coriolis 1792-1843).
Puede no resultarle obvio que una partícula moviéndose en el hemisferio norte sea desviada hacia la derecha.
Considere este cono rojo moviéndose hacia el sur en la dirección del vértice del cono. La Tierra está girando si la miramos desde una cámara situada en el espacio exterior. El cono se está moviendo recto hacia el sur.
Mire atentamente y se dará cuenta de que el cono rojo está girando sobre una curva hacia la derecha mientras se mueve. La razón por la que el cono no se mueve en la dirección a la que está apuntando es que nosotros, como observadores, estamos girando con el globo.
Hemos fijado la cámara, por lo que girará junto con la Tierra.
Abajo se muestra la misma imagen con la cámara fija sobre la superficie terrestre.
La fuerza de Coriolis es un fenómeno visible. Las vías del ferrocarril se desgastan más rápidamente de un lado que del otro. Las cuencas de los ríos están excavadas más profundamente en una cara que en la otra (de cual se trate depende en qué hemisferio nos encontremos : en el hemisferio norte las partículas sueltas son desviadas hacia la derecha).
En el hemisferio norte el viento tiende a girar en el sentido contrario al de las agujas del reloj (visto desde arriba) cuando se acerca a un área de bajas presiones. En el hemisferio sur el viento gira en el sentido de las agujas del reloj alrededor de áreas de bajas presiones.
En la página siguiente veremos como la fuerza de Coriolis afecta a las direcciones del viento en el globo.
Recursos eólicos: Vientos globales
Cómo afecta la fuerza de Coriolis a los vientos globales
El viento sube desde el ecuador y se desplaza hacia el norte y hacia el sur en las capas más altas de la atmósfera. Alrededor de los 30° de latitud en ambos hemisferios la fuerza de Coriolis evita que el viento se desplace más allá. En esa latitud se encuentra un área de altas presiones, por lo que el aire empieza a descender de nuevo. Cuando el viento suba desde el ecuador habrá un área de bajas presiones cerca del nivel del suelo atrayendo los vientos del norte y del sur. En los polos, habrá altas presiones debido al aire frío. Teniendo en mente la fuerza de curvatura de la fuerza de Coriolis, obtenemos los siguientes resultados generales de las direcciones del viento dominantes:
El espesor de la atmósfera está exagerado en el dibujo de arriba (hecho a partir de una fotografía tomada desde el satélite de la NASA GOES-8). Realmente la atmósfera tiene un espesor de sólo 10 km, lo que representa 1/1200 del diámetro del globo. Esta parte de la atmósfera, conocida con el nombre de troposfera, es donde ocurren todos los fenómenos meteorológicos (y también el efecto invernadero). Las direcciones dominantes del viento son importantes para el emplazamiento de un aerogenerador, ya que obviamente querremos situarlo en un lugar en el que haya el mínimo número de obstáculos posibles para las direcciones dominantes del viento. Sin embargo la geografía local puede influenciar en los resultados de la tabla anterior (ver páginas siguientes).
Vientos geostróficos
La atmósfera (Troposfera)
La atmósfera es una capa muy fina alrededor del globo. El globo tiene un diámetro de 12.000 km. La troposfera, que se extiende hasta los 11 km de altitud, es donde tienen lugar todos los fenómenos meteorológicos y el efecto invernadero.
En el dibujo puede verse una extensión de islas de 300 km y la altura aproximada de la troposfera. Visto a una escala diferente: si el globo fuese una bola de 1,2 metros de diámetro, la atmósfera sólo tendría un espesor de 1 mm.
El viento geostrófico
Los vientos que han sido considerados en las páginas precedentes como vientos globales son en realidad los vientos geostróficos.
Los vientos geostróficos son generados, principalmente, por las diferencias de temperatura, así como por las de presión, y apenas son influenciados por la superficie de la tierra. Los vientos geostróficos se encuentran a una altura de 1.000 metros a partir del nivel del suelo.
La velocidad de los vientos geostróficos puede ser medida utilizando globos sonda.
Vientos de superficie
Los vientos están mucho más influenciados por la superficie terrestre a altitudes de hasta 100 metros. El viento es frenado por la rugosidad de la superficie de la tierra y por los obstáculos , como veremos seguidamente. Las direcciones del viento cerca de la superficie serán ligeramente diferentes de las de los vientos geostróficos debido a la rotación de la tierra (ver fuerza de Coriolis).
Tratándose de energía eólica interesará conocer los vientos de superficie y cómo calcular la energía aprovechable del viento.
Vientos locales: brisas marinas
Aunque los vientos globales son importantes en la determinación de los vientos dominantes de un área determinada, las condiciones climáticas locales pueden influir en las direcciones de viento más comunes. Los vientos locales siempre se superponen en los sistemas eólicos a gran escala, esto es, la dirección del viento es influenciada por la suma de los efectos global y local.
Cuando los vientos a gran escala son suaves, los vientos locales pueden dominar los regímenes de viento.
Brisas marinas
Durante el día la tierra se calienta más rápidamente que el mar por efecto del sol.El aire sube, circula hacia el mar, y crea una depresión a nivel del suelo que atrae el aire frío del mar. Esto es lo que se llama brisa marina. A menudo hay un periodo de calma al anochecer, cuando las temperaturas del suelo y del mar se igualan.
Durante la noche los vientos soplan en sentido contrario. Normalmente durante la noche la brisa terrestre tiene velocidades inferiores, debido a que la diferencia de temperaturas entre la tierra y el mar es más pequeña.
El conocido monzón del sureste asiático es en realidad un forma a gran escala de la brisa marina y la brisa terrestre, variando su dirección según la estación, debido a que la tierra se calienta o enfría más rápidamente que el mar.
Vientos locales: vientos de montaña
Un ejemplo es el viento del valle que se origina en las laderas que dan al sur (ó en las que dan al norte en el hemisferio sur). Cuando las laderas y el aire próximo a ellas están calientes la densidad del aire disminuye, y el aire asciende hasta la cima siguiendo la superficie de la ladera. Durante la noche la dirección del viento se invierte, convirtiéndose en un viento que fluye ladera abajo. Si el fondo del valle está inclinado, el aire puede ascender y descender por el valle; este efecto es conocido como viento de cañón.
Hvis dalsænkningen skråner, kan luften bevæge sig op og ned ad dalen som en canyonvind.
Los vientos que soplan en las laderas a sotavento pueden ser bastante potentes. Ejemplo de ello son: El Fhon de los Alpes en Europa, el Chinook en las Montañas Rocosas y el Zonda en los Andes.
Ejemplos de otros sistemas de viento locales son el Mistral, soplando a lo largo del valle del Rhone hasta el Mar Mediterráneo, y el Sirocco, un viento del sur proveniente del Sahara que sopla hacia el Mar Mediterráneo.
La energía en el viento: densidad del aire y área de barrido del rotor
Un aerogenerador obtiene su potencia de entrada convirtiendo la fuerza del viento en un par (fuerza de giro) actuando sobre las palas del rotor. La cantidad de energía transferida al rotor por el viento depende de la densidad del aire, del área de barrido del rotor y de la velocidad del viento.
La animación muestra cómo una porción cilíndrica de aire de 1 metro de espesor pasa a través del rotor de un aerogenerador típico de 1.000 kW.
Con un rotor de 54 metros de diámetro cada cilindro pesa realmente 2,8 toneladas, es decir, 2.300 veces 1,225 kg.
Densidad del aire
La energía cinética de un cuerpo en movimiento es proporcional a su masa (o peso). Así, la energía cinética del viento depende de la densidad del aire, es decir, de su masa por unidad de volumen.
En otras palabras, cuanto "más pesado" sea el aire más energía recibirá la turbina.
A presión atmosférica normal y a 15° C el aire pesa unos 1,225 kilogramos por metro cúbico, aunque 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 del aire es más baja y el aire es menos denso.
Ârea de barrido del rotor
Un aerogenerador típico de 1.000 kW tiene un diámetro del rotor de 54 metros, lo que supone un área del rotor de unos 2.300 metros cuadrados. El área del rotor determina cuanta energía del viento es capaz de capturar una turbina eólica. Dado que el área del rotor aumenta con el cuadrado del diámetro del rotor, una turbina que sea dos veces más grande recibirá 2 2 = 2 x 2 = cuatro veces más energía. La página sobre tamaño de los aerogeneradoresle proporcionará más detalles.
Las aerogeneradores desvían el viento
La imagen de la página anterior sobre la energía en el viento está algo simplificada. En realidad, un aerogenerador desviará el viento antes incluso de que el viento llegue al plano del rotor. Esto significa que nunca seremos capaces de capturar toda la energía que hay en el viento utilizando un aerogenerador. Discutiremos esto más tarde, cuando hablemos de la ley de Betz.
En la imagen de arriba tenemos el viento que viene desde la derecha y usamos un mecanismo para capturar parte de la energía cinética que posee el viento (en este caso usamos un rotor de tres palas, aunque podría haberse tratado de cualquier otro mecanismo).
El tubo de corriente
El rotor de la turbina eólica debe obviamente frenar el viento cuando captura su energía cinética y la convierte en energía rotacional. Esto implica que el viento se moverá más lentamente en la parte izquierda del rotor que en la parte derecha.
Dado que la cantidad de aire que pasa a través del área barrida por el rotor desde la derecha (por segundo) debe ser igual a la que abandona el área del rotor por la izquierda, el aire ocupará una mayor sección transversal (diámetro) detrás del plano del rotor.
Este efecto puede apreciarse en la imagen superior, donde se muestra un tubo imaginario, el llamado tubo de corriente, alrededor del rotor de la turbina eólica. El tubo de corriente muestra cómo el viento moviéndose lentamente hacia la izquierda ocupará un gran volumen en la parte posterior del rotor.
El viento no será frenado hasta su velocidad final inmediatamente detrás del plano del rotor. La ralentización se producirá gradualmente en la parte posterior del rotor hasta que la velocidad llegue a ser prácticamente constante.
Distribución de la presión del aire en la parte delantera y trasera del rotor
El gráfico de la izquierda muestra la presión del aire en el eje vertical, siendo el eje horizontal la distancia al plano del rotor. El viento llega por la derecha, estando situado el rotor en el centro del gráfico.
La presión del aire aumenta gradualmente a medida que el viento se acerca al rotor desde la derecha, ya que el rotor actúa de barrera del viento. Observe que la presión del aire caerá inmediatamente detrás del plano del rotor (parte izquierda), para enseguida aumentar de forma gradual hasta el nivel de presión normal en el área.
ÀQué ocurre corriente abajo?
Corriente abajo, la turbulencia del viento provocará que el viento lento de detrás del rotor se mezcle con el viento más rápido del área circundante . Por lo tanto, el abrigo del viento disminuirá gradualmente tras el rotor conforme nos alejamos de la turbina. Veremos esto más ampliamente en la página sobre el efecto del parque.
ÀPor qué no un tubo de corriente cilíndrico?
Ahora usted podría objetar que una turbina giraría incluso situándola dentro de un tubo cilíndrico normal, como el que se muestra abajo. ÀPor qué insistimos entonces en que el tubo de corriente tiene forma de botella?
Por supuesto, usted estaría en lo cierto al pensar que el rotor de una turbina podría girar si lo situásemos dentro de un enorme tubo de cristal como el de arriba, pero vea que es lo que ocurre:
El viento de la parte izquierda del rotor se mueve a menor velocidad que el de la parte derecha. Pero al mismo tiempo sabemos que el volumen de aire que entra al tubo por la derecha cada segundo debe ser el mismo que el volumen de aire que sale del tubo por la izquierda. Con ello puede deducirse que si el viento encuentra algún obstáculo dentro del tubo (en este caso nuestro rotor), parte del viento que llega desde la derecha debe ser desviado de la entrada del tubo (debido a la alta presión del aire en el extremo derecho del tubo).
Por tanto, el tubo cilíndrico no es una representación muy exacta de lo que ocurre cuando el viento encuentra una turbina eólica, por lo que la imagen del principio de la página es la correcta.
La potencia del viento: cubo de la velocidad del viento
La velocidad del viento es muy importante para la cantidad de energía que un aerogenerador puede transformar en electricidad: la cantidad de energía que posee el viento varía con el cubo (la tercera potencia) de la velocidad media del viento; p.ej., si la velocidad del viento se duplica la cantidad de energía que contenga será 2 3 = 2 x 2 x 2 = ocho veces mayor.
Ahora bien, Àpor qué la energía que contiene el viento varía con la tercera potencia de su velocidad? Seguramente, del saber de cada día, usted estará enterado de que al doblar la velocidad de un coche la energía de frenado para pararlo completamente será cuatro veces mayor (se trata básicamente de la segunda ley de Newton de la cinemática).
En el caso de turbinas eólicas usamos la energía de frenado del viento, por lo que si doblamos la velocidad del viento tendremos dos veces más porciones cilíndricas de viento moviéndose a través del rotor cada segundo, y cada una de esas porciones contiene cuatro veces más energía, como se ha visto en el ejemplo del frenado de un coche.
El gráfico muestra que con una velocidad del viento de 8 metros por segundo obtenemos una potencia (cantidad de energía por segundo) de 314 W por cada metro cuadrado expuesto al viento (viento incidiendo perpendicularmente al área barrida por el rotor).
A 16 m/s obtendremos una potencia ocho veces mayor, esto es, 2.509 W / m 2 . La tabla de la sección manual de referencia proporciona la potencia por metro cuadrado de superficie expuesta al viento para diferentes velocidades del viento.
Potencia de la fórmula del viento
La potencia del viento que pasa perpendicularmente a través de un área circular es:
P = 1/2
v3 r2
Donde P = potencia del viento medida en W (vatios).
= (rho) = densidad del aire seco = 1.225 medida en kg/m 3(kilogramos por metro cúbico, a la presión atmosférica promedio a nivel del mar y a 15° C).
v = velocidad del viento medida en m/s (metros por segundo).
= (pi) = 3.1415926535...
r = radio (esto es, la mitad de un diámetro) del rotor medido en m (metros).
Medición de la velocidad del viento: anemómetros
Las mediciones de las velocidades del viento se realizan normalmente usando un anemómetro de cazoletas, similar al del dibujo de la izquierda. El anemómetro de cazoletas tiene un eje vertical y tres cazoletas que capturan el viento. El número de revoluciones por segundo son registradas electrónicamente.
Normalmente, el anemómetro está provisto de una veleta para detectar la dirección del viento.
En lugar de cazoletas el anemómetro puede estar equipado con hélices, aunque no es lo habitual.
Otros tipos de anemómetros incluyen ultrasonidos o anemómetros provistos de láser que detectan el desfase del sonido o la luz coherente reflejada por las moléculas de aire.
Los anemómetros de hilo electrocalentado detectan la velocidad del viento mediante pequeñas diferencias de temperatura entre los cables situados en el viento y en la sombra del viento (cara a sotavento).
La ventaja de los anemómetros no mecánicos es que son menos sensibles a la formación de hielo. Sin embargo en la práctica los anemómetros de cazoletas son ampliamente utilizados, y modelos especiales con ejes y cazoletas eléctricamente calentados pueden ser usados en las zonas árticas.
Los anemómetros de calidad son una necesidad para las mediciones de energía eólica
Cuando compra algo, a menudo obtendrá un producto acorde a lo que ha pagado por él. Esto también se aplica a los anemómetros. Se pueden comprar anemómetros sorprendentemente baratos de algunos de los principales vendedores del mercado que, cuando realmente no se necesita una gran precisión, pueden ser adecuados para aplicaciones meteorológicas, y lo son también para ser montados sobre aerogeneradores. *)
Sin embargo, los anemómetros económicos no resultan de utilidad en las mediciones de la velocidad de viento que se llevan a cabo en la industria eólica, dado que pueden ser muy imprecisos y estar pobremente calibrados, con errores en la medición de quizás el 5 por ciento, e incluso del 10 por ciento.
Si está pensando construir un parque eólico puede resultar un desastre económico si dispone de un anemómetro que mide las velocidades de viento con un error del 10%. En ese caso, se expone a contar con un contenido energético del viento que es 1,1 3-1=33% más elevado de lo que es en realidad. Si lo que tiene que hacer es recalcular sus mediciones para una altura de buje del aerogenerador distinta (digamos de 10 a 50 metros de altura), ese error podrá incluso multiplicarse por un factor del 1,3, con lo que sus cálculos de energía acabarán con un error del 75%.
Se puede comprar un anemómetro profesional y bien calibrado, con un error de medición alrededor del 1%, por unos 700-900 dólares americanos, lo que no es nada comparado con el riesgo de cometer un error económico potencialmente desastroso. Naturalmente, el precio puede no resultar siempre un indicador fiable de la calidad, por lo que deberá informarse de cuáles son los institutos de investigación en energía eólica bien reputados y pedirles consejo en la compra de anemómetros.
*) El anemómetro de un aerogenerador realmente sólo se utiliza para determinar si sopla viento suficiente como para que valga la pena orientar el rotor del aerogenerador en contra del viento y ponerlo en marcha.
Mediciones de la velocidad del viento en la práctica
La mejor forma de medir la velocidad del viento en una futura localización de una turbina eólica es situar un anemómetro en el extremo superior de un mástil que tenga la misma altura que la altura de buje esperada de la turbina que se va a utilizar. Esto evita la incertidumbre que conlleva el recalcular la velocidad del viento a una altura diferente.
Colocando el anemómetro en la parte superior del mástil se minimizan las perturbaciones de las corrientes de aire creadas por el propio mástil. Si el anemómetro está situado en la parte lateral del mástil es fundamental enfocarlos en la dirección de viento dominante para minimizar el abrigo del viento de la torre.
¿Qué mástil elegir?
Para evitar el abrigo de viento, en lugar de utilizar torres de celosía, normalmente se utilizan postes cilíndricos delgados, tensados con vientos, en los que se colocan los mecanismos de medición del viento.
Los postes son suministrados en kits de fácil ensamblaje , por lo que usted puede instalar un mástil para mediciones de viento en la altura del buje de una (futura) turbina sin necesidad de una grúa.
El anemómetro, el poste y el registrador de datos (que veremos a continuación) suele costar alrededor de 5.000 dólares americanos.
NRG data logger Fotografía Soren Krohn
© 1998 DWIA
El registrador de datos ('data logger')
Los datos de las velocidades y direcciones del viento obtenidos por el anemómetro son recogidos en un chip electrónico en una pequeña computadora, el registrador de datos ('data logger'), que puede funcionar con batería durante un largo período de tiempo.
La fotografía muestra un ejemplo de un registrador de datos. Es posible que una vez al mes sea necesario ir hasta el registrador a recoger el chip y remplazarlo por otro vírgen que recoja los datos del mes siguiente (cuidado: el error más común de la gente que realiza mediciones de viento es mezclar los chips y volver de nuevo con el chip vírgen).
Condiciones árticas
Si hay muchas lluvias heladas en la zona o escarcha en las montañas, puede necesitar un anemómetro calentado, que requiere una conexión a la red eléctrica para hacer funcionar el calentador.
Medias de 10 minutos
Las velocidades del viento son medidas en medias de 10 minutos para que sea compatible con la mayoría de programas estándar (y con la bibliografía sobre el tema). Los resultados en las velocidades del viento son diferentes si se utilizan diferentes periodos de tiempo para calcular las medias, como se verá posteriormente.
La rosa de los vientos
Rosa de los vientos de Brest (Francia), tomada del Atlas Eólico Europeo, Riso National Laboratory (Dinamarca).
Observará que los fuertes vientos suelen venir de una dirección determinada, tal y como se vio en la sección recursos eólicos.Para mostrar la información sobre las distribuciones de velocidades del viento y la frecuencia de variación de las direcciones del viento, puede dibujarse la llamada rosa de los vientos basándose en observaciones meteorológicas de las velocidades y direcciones del viento.
En la imagen se muestra la rosa de los vientos de Brest, en la costa Atlántica de Francia.
Hemos dividido la rosa en doce sectores, abarcando cada uno 30° del horizonte (también puede dividirse en 8 ó 16 sectores, aunque 12 es el número de sectores que el Atlas Eólico Europeo, del cuál ha sido tomada esta imagen, suele utilizar como estándar).
El radio de las cuñas amplias (las más exteriores) proporciona la frecuencia relativa de cada una de las doce direcciones del viento, es decir, qué tanto por ciento del tiempo el viento sopla desde esa dirección.
La segunda cuña da la misma información pero multiplicada por la media de la velocidad del viento en cada dirección particular. El resultado se normaliza sumando hasta el 100 por cien. Esto indica la contribución de cada sector en la velocidad media del viento en nuestra ubicación particular.
La cuña más interior (en rojo) proporciona la misma información que la primera pero multiplicada por el cubo de la velocidad del viento en cada ubicación. El resultado se normaliza sumando hasta el 100 por cien. Esto indica la contribución de cada sector en la energía contenida en el viento en nuestra ubicación particular.
Recuerde que el contenido energético del viento varía con el cubo de la velocidad del viento, tal y como se expuso en la páginasobrela energía en el viento. Por tanto, las cuñas rojas son en realidad las más interesantes. Indican donde encontrar una mayor potencia que impulse nuestros aerogeneradores.
En este caso podemos ver que la dirección de viento dominante es la Sudoeste, tal y como habríamos predicho en la página vientos globales.
Una rosa de los vientos proporciona información sobre las velocidades relativas del viento en diferentes direcciones, es decir, cada uno de los tres grupos de datos ha sido multiplicado por un número que asegura que la cuña más larga del grupo mide exactamente lo mismo que el radio del círculo más exterior del diagrama.
Variabilidad de las rosas de los vientos
Las rosas de los vientos varían de un lugar a otro. Son en realidad una especie de huella meteorológica.Por ejemplo, eche un vistazo a esta rosa de los vientos de Caen (Francia) a tan sólo 150 km (100 millas) al norte de Brest. Aunque la dirección del viento primaria es la misma (la Sudoeste) observará que prácticamente toda la energía del viento proviene del Oeste y del Sudoeste. Por lo tanto, en este emplazamiento no nos preocuparemos de las otras direcciones del viento.
Las rosas de los vientos de las áreas vecinas son a menudo similares, por lo que en la práctica la interpolación (hallando una media) de las rosas de los vientos de las áreas circundantes puede dar resultados seguros. Pero si el terreno es complejo, por ejemplo en montañas y valles que recorren diferentes direcciones, o litorales orientados en direcciones diferentes, no es seguro en general adoptar este tipo de suposiciones.
Haciendo hincapié una vez más, la rosa de los vientos sólo indica la distribución relativa de las direcciones del viento, y no el nivel real de la velocidad media del viento.
Cómo utilizar una rosa de los vientos
Un vistazo a la rosa de los vientos es extremadamente útil para situar aerogeneradores. Si una gran parte de la energía del viento viene de una dirección particular, lo que deseará, cuando coloque una turbina eólica en el paisaje, será tener la menor cantidad deobstáculos posibles en esa dirección, así como un terreno lo más liso posible.
En los ejemplos vistos anteriormente la mayor parte de la energía viene del Sudoeste, por lo que no necesitaríamos preocuparnos de los obstáculos al este y al sudeste del aerogenerador, ya que apenas llegaría nada de energía desde esas direcciones.
Sin embargo los modelos eólicos pueden variar de un año a otro, así como el contenido energético (normalmente alrededor de un 10 por ciento). Por lo tanto, lo más conveniente es tener observaciones de varios años para poder obtener una media fidedigna. Los proyectistas de grandes parque eólicos cuentan normalmente con un año de medidas locales y utilizan observaciones meteorológicas a largo plazo de las estaciones climáticas cercanas para ajustar sus medidas y obtener así una media a largo plazo fiable.
Dado que esta rosa de los vientos ha sido tomada del Atlas Eólico Europeo estamos razonablemente seguros de que podemos fiarnos de ella . El Atlas Eólico Europeo contiene descripciones de cada una de las estaciones de medida, por lo que podemos estar advertidos sobre posibles perturbaciones locales en las corrientes de aire. En la página sobre la selección del emplazamiento de un aerogenerador volvemos al tema de los riesgos en el uso de los datos meteorológicos.
No utilice el formulario hasta que la página y el programa se hayan cargado completamente.
La explicación sobre la rosa de los vientos puede ser encontrada en la página anterior. La frecuencia del viento es el porcentaje de tiempo durante el cual el viento viene de una determinada dirección. La primera fila de la tabla de la izquierda corresponde al Norte (la cuña de la parte superior). Las siguientes filas corresponden a los demás sectores de la rosa de los vientos tomados en el sentido de las agujas del reloj.
Utilizar 8 12 16 sectores. diagrama. los datos correspondientes a Copenhague.
Mostrar la frecuencia del viento.
Mostrar la velocidad media.
Mostrar la energía del viento.
Para cada uno de los sectores, las cuñas más exteriores (en azul) muestran la distribución de frecuencias del viento.
Las cuñas intermedias (en negro) muestran la distribución del producto de las dos columnas, es decir, las velocidades del viento multiplicadas por sus frecuencias.
Las cuñas más interiores muestran la distribución de las velocidades del viento al cubo (esto es, las energías) multiplicadas por sus frecuencias.
Para imprimir los resultados de un programa trazador, deberá hacer un vuelco de la pantalla.
Rugosidad y cizallamiento del viento
A una gran altura de la superficie del suelo, alrededor de un kilómetro, la superficie terrestre apenas ejerce influencia alguna sobre el viento. Sin embargo, en las capas más bajas de la atmósfera, las velocidades del viento se ven afectadas por la fricción con la superficie terrestre. En la industria eólica se distingue entre rugosidad del terreno, la influencia de losobstáculos, y la influencia del contorno del terreno, también llamada orografía del área. Trataremos de la orografía cuando investigamos los llamados efectos aceleradores, a saber, el efecto túnely el efecto de la colina.
Rugosidad
En general, cuanto más pronunciada sea la rugosidad del terreno mayor será la ralentización que experimente el viento.
Obviamente, los bosques y las grandes ciudades ralentizan mucho el viento, mientras que las pistas de hormigón de los aeropuertos sólo lo ralentizan ligeramente. Las superficies de agua son incluso más lisas que las pistas de hormigón, y tendrán por tanto menos influencia sobre el viento, mientras que la hierba alta y los arbustos ralentizan el viento de forma considerable.
Clase de rugosidad y longitud de rugosidad
Las ovejas son las mejores amigas de los aerogeneradores. En este dibujo de Akaroa Spit (Nueva Zelanda) las ovejas mantiene una baja rugosidad gracias a su pastoreo. Fotografía Søren Krohn
© 1998 DWIA
En la industria eólica, la gente suele referirse a clase de rugosidad o longitud de rugosidad cuando se trata de evaluar las condiciones eólicas de un paisaje. Una alta rugosidad de clase 3 ó 4 se refiere a un paisaje con muchos árboles y edificios, mientras que a la superficie del mar le corresponde una rugosidad de clase 0.
Las pistas de hormigón de los aeropuertos pertenecen a la clase de rugosidad 0.5, al igual que el paisaje abierto y llano pacido por las ovejas (fotografía de la izquierda).
La definición exacta de clase de rugosidad y longitud de rugosidad puede ser encontrada en el manual de referencia. El término longitud de rugosidad es en realidad la distancia sobre el nivel del suelo a la que teóricamente la velocidad del viento debería ser nula.
Cizallamiento del viento
Este gráfico ha sido trazado con el programa de cálculo de la velocidad del viento de la página siguiente. Muestra como varía la velocidad del viento en una rugosidad de clase 2 (suelo agrícola con algunas casas y setos de protección a intervalos de unos 500 metros), considerando que el viento sopla a una velocidad de 10 m/s a 100 metros de altura.
El hecho de que el perfil del viento se mueva hacia velocidades más bajas conforme nos acercamos al nivel del suelo suele llamarse cizallamiento del viento. El cizallamiento del viento también puede ser importante en el diseño de aerogeneradores. Considerando un aerogenerador con una altura del buje de 40 metros y con un diámetro del rotor de 40 metros observará que el viento sopla a 9,3 m/s cuando el extremo de la pala se encuentra en su posición más elevada, y sólo a 7,7 m/s cuando dicho extremo se encuentra en la posición inferior. Esto significa que las fuerzas que actúan sobre la pala del rotor cuando está en su posición más alta son mucho mayores que cuando está en su posición más baja.
Fórmula del perfil vertical del viento*)
La velocidad del viento a una cierta altura sobre el nivel del suelo es:
v = v ref ln(z/z 0 ) / ln(z ref /z 0 )v = velocidad del viento a una altura z sobre el nivel del suelo. v ref = velocidad de referencia, es decir, una velocidad de viento ya conocida a una altura. z ref . ln(...) es la función logaritmo natural. z = altura sobre el nivel del suelo para la velocidad deseada, v. z 0 = longitud de rugosidad en la dirección de viento actual. Puede encontrar las longitudes de rugosidad en el Manual de Referencia . z ref = altura de referencia, es decir, la altura a la que conocemos la velocidad de viento exacta v ref .En el ejemplo de arriba, asumimos que sabemos que a 20 m el viento que está soplando es de 7.7 m/s. Queremos conocer la velocidad del viento a 60 m de altura. Si la longitud de rugosidad es de is 0.1 m, entonces v ref = 7.7 z = 60 z 0 = 0.1 z ref = 20 por lo que,v = 7.7 ln(60/0.1) / ln(20/0.1) = 9.2966 m/s
*)
= En la fórmula se consideran las llamadas condiciones de estabilidad atmosférica neutra, es decir, que la superficie del suelo no está ni más caliente ni más fría, comparada con la temperatura del aire. Encontrará más detalles en el manual de ingeniería Guidelines for Design of Wind Turbines del Laboratorio Nacional de Risoe y DNV.
Programa de cálculo de la velocidad del viento
No use el formulario hasta que la página y su programa se hayan cargado completamente.
Introduzca sus mediciones de la velocidad del viento en cualquiera de las columnas para la altura correspondiente, p.ej. 10 metros. Después haga click fuera del campo del formulario, haga click en Calcular o use el tabulador. El programa calculará entonces velocidades del viento para otras alturas. Si lo desea puede dibujar su gráfica en una hoja aparte haciendo click en Dibujar en la columna correspondiente.(Si la ventana de dibujo desaparece es posible que está oculta detrás de está ventana).
Las velocidades de viento medias suelen obtenerse a partir de datos meteorológicos medidos a una altura de 10 metros. Sin embargo, las alturas del buje de los aerogeneradores modernos de 600 a 1500 kW son normalmente de 40 a 80 metros. La hoja de cálculo hallará las velocidades de viento medias a diferentes alturas y clases de rugosidad. Lo único que debe hacer es introducir una medición de la velocidad del viento a una cierta altura para una clase de rugosidad dada y seleccionar el botón Calcular.
Observe que los resultados no serán exactos si hay obstáculos cerca del aerogenerador (ó del punto de medición meteorológica) ni tampoco por encima de la altura del buje especificada (se considera cerca cualquier cosa a menos de 1 km).
Tenga en cuenta que también puede haber un perfil vertical del viento (cizallamiento) inverso en las cumbres, debido al efecto colina, esto es, la velocidad del viento puede efectivamente disminuir con el aumento de la altura durante un cierto intervalo de alturas sobre la cima. Para obtener más información sobre este fenómeno, deberá consultar el Atlas Eólico Europeo que aparece en la bibliografía del Manual de Referencia.
Antes de empezar a introducir sus datos eche un vistazo al ejemplo de abajo para asegurarse de que entiende como funciona. Puede encontrar definiciones de rugosidades más extensas y precisas en la sección de unidades.
Ejemplo
Como ejemplo eche un vistazo a la hoja de cálculo de arriba, donde ya ha sido introducida una velocidad de 10 m/s a 100 metros de altura. Observará que la velocidad del viento disminuye conforme nos acercamos al nivel del suelo. También notará que esta disminución es más rápida en un terreno rugoso.
Recuerde que el contenido energético del viento varía con el cubo (tercera potencia) de la velocidad del viento. Si mira en la columna de clase de rugosidad 2 observará que la velocidad del viento disminuye un 10 por ciento desde los 100 hasta los 50 metros. Sin embargo la potencia del viento disminuye hasta 0,93= 0,73, es decir, el 27 por ciento (de 613 a 447 W/m2).
Si compara las velocidades del viento por debajo de 100 metros de la clase de rugosidad 2 con las de la clase de rugosidad 1, observará que para una altura cualquiera dada las velocidades son inferiores en la clase de rugosidad 2.
Si usted tiene un aerogenerador en una rugosidad de clase 2 puede considerar si vale o no la pena invertir 15.000 dólares americanos más para tener una torre de 60 metros en lugar de una de 50 metros. En la tabla puede ver que esto le proporcionará un 2.9 por ciento más de viento, con lo que usted puede calcular que obtendrá un 9 por ciento más de energía eólica.
Este problema puede ser resuelto una vez se haya visto como varía la producción de electricidad en una turbina con a la energía eólica disponible. Volveremos sobre este tema cuando sepa como usar el programa de cálculo de la densidad de potencia y el programa de cálculo económico en energía eólica.
Ahora, pruebe el programa usted mismo.
Cizallamiento del viento y escarpas
Fotografía aérea Soren Krohn
© 1999 DWIA
No incluya la altitud de su terreno en los cálculos del cizallamiento del viento
La fotografía aérea de arriba muestra un buen emplazamiento para aerogeneradores a lo largo de una línea de costa con las turbinas sobre un acantilado que está a una altura aproximada de 10 metros. Es un error habitual creer que en este caso se puede añadir la altura del acantilado a la altura de la torre del aerogenerador para obtener su altura efectiva, cuando se hacen cálculos de velocidades de viento, al menos cuando el viento viene del mar.
Evidentemente esto no se puede hacer. El acantilado de la fotografía creará turbulencia , y frenará el viento antes incluso de que llegue al acantilado. Por lo tanto, no es una buena idea desplazar las turbinas más cerca del acantilado. Muy probablemente esto implicaría una producción de energía menor, y reduciría el tiempo de vida de las turbinas, debido a una mayor rotura y desgaste provocadas por la turbulencia.
Si teníamos elección, hubiese sido mucho mejor una colina suavemente redondeada, en lugar del escarpe que se ve en la imagen. En el caso de una colina redondeada, incluso podríamos experimentar un efecto acelerador, como más tarde explicaremos al llegar a la página sobre el efecto de la colina.
La rosa de las rugosidades
Si durante un largo periodo de tiempo la velocidad del viento ha sido medida exactamente a la altura del buje y en el lugar exacto donde se situará el aerogenerador, pueden hacerse predicciones muy exactas de la producción de energía. Sin embargo, a menudo deben recalcularse mediciones del viento hechas en un lugar fuera de la zona considerada. En la práctica esto puede hacerse con una gran exactitud, excepto en zonas de terreno muy complejo (p.ej. terrenos accidentados y muy montañosos).
Así como usamos una rosa de los vientos para trazar el mapa de la cantidad de energía procedente de diferentes direcciones, usamos una rosa de las rugosidades para describir la rugosidad del terreno en diferentes direcciones desde el futuro emplazamiento de una turbina eólica.
Normalmente, la rosa se divide en 12 sectores de 30° cada uno, como en el dibujo de la izquierda, aunque también son posibles otras divisiones. En cualquier caso, deberán ser las mismas que las que tengamos en nuestra rosa de los vientos.
Para cada sector hacemos una estimación de la rugosidad utilizando las definiciones de la sección manual de referencia. En principio, con esto ya podría utilizarse el programa de cálculo de la velocidad del viento de la página anterior para estimar como cambia la velocidad media del viento en cada sector debido a las diferentes rugosidades del terreno.
Obtención de la rugosidad media en cada sector
Sin embargo, en la mayoría de los casos, la rugosidad no caerá exactamente dentro de una de las clases de rugosidad, por lo que tendremos que hallar una rugosidad media. Nos preocuparemos sobretodo de la rugosidad en las direcciones de viento dominante .En esas direcciones consultaremos una mapa para medir a que distancia tendremos una rugosidad invariable.
Fotografía Søren Krohn, © 1999 DWIA
Representación de los cambios de rugosidad dentro de cada sector
Imaginemos que tenemos la superficie del mar o de un lago en el sector oeste (clase 0) a unos 400 m del emplazamiento de la turbina y dos kilómetros más allá se encuentra una isla arbolada. Si el oeste es una dirección de viento importante, deberemos representar los cambios de clase de rugosidad de 1 a 0 y de 0 a 3.
Esto precisa de unos modelos y de un software más avanzados que los expuestos en este sitio web. También es útil poder utilizar programas informáticos para gestionar todos nuestros datos de viento y de turbina, ya que en la próxima actualización de este sitio web explicaremos como funcionan los programas de cálculo eólico profesionales.
Hasta entonces puede consultar la página de enlaces para encontrar el enlace con el modelo de Risoe WAsP y con el programa de entorno Windows "WindPro" de EMD.
Representación de los obstáculos del viento
Es muy importante representar los obstáculos del viento locales en la dirección de viento dominante cerca de la turbina (a menos de 700 m) si se quieren hacer predicciones exactas sobre producción de energía. Insistiremos sobre este tema en un par de páginas.
Variabilidad de la velocidad del viento
Variabilidad del viento a corto plazo
La velocidad del viento está siempre fluctuando, por lo que el contenido energético del viento varía continuamente. De qué magnitud sea exactamente esa fluctuación depende tanto de las condiciones climáticas como de las condiciones de superficie locales y de los obstáculos.
La producción de energía de una turbina eólica variará conforme varíe el viento, aunque las variaciones más rápidas serán hasta cierto punto compensadas por la inercia del rotor de la turbina eólica.
Variaciones diurnas (noche y día) del viento
En la mayoría localizaciones del planeta el viento sopla más fuerte durante el día que durante la noche. El gráfico de la izquierda muestra, en intervalos de 3 horas, como varía la velocidad del viento a lo largo del día en Beldringe (Dinamarca) (información obtenida del Atlas Eólico Europeo).
Esta variación se debe sobretodo a que las diferencias de temperatura, p.ej. entre la superficie del mar y la superficie terrestre, son mayores durante el día que durante la noche. El viento presenta también más turbulencias y tiende a cambiar de dirección más rápidamente durante el día que durante la noche.
Desde el punto de vista de los propietarios de aerogeneradores, el hecho de que la mayor parte de la energía eólica se produzca durante el día es una ventaja, ya que el consumo de energía entonces es mayor que durante la noche. Muchas compañías eléctricas pagan más por la electricidad producida durante las horas en las que hay picos de carga (cuando hay una falta de capacidad generadora barata). Volveremos sobre este tema en la sección aerogeneradores en la red eléctrica.
Variaciones estacionales del viento
Este tema es tratado en la sección sobre aerogeneradores en la red eléctrica.
Turbulencia
Seguramente ya habrá observado que las tormentas suelen venir asociadas a ráfagas de viento que cambian tanto en velocidad como en dirección.
En áreas cuya superficie es muy accidentada y tras obstáculos como edificios, también se producen muchas turbulencias, con flujos de aire muy irregulares, con remolinos y vórtices en los alrededores.
En la imagen puede verse un ejemplo de como la turbulencia aumenta las fluctuaciones en la velocidad del viento (puede compararla con la gráfica de la página anterior).
Las turbulencias disminuyen la posibilidad de utilizar la energía del viento de forma efectiva en un aerogenerador. También provocan mayores roturas y desgastes en la turbina eólica, tal y como se explica en la sección sobre cargas de fatiga. Las torres de aerogeneradores suelen construirse lo suficientemente altas como para evitar las turbulencias del viento cerca del nivel del suelo.
Obstáculos al viento
Este vídeo fue rodado en un emplazamiento eólico de una zona costera, con el viento viniendo desde la parte derecha de la fotografía. Muestra un interesante fenómeno:
Deberíamos esperar realmente que el aerogenerador de la derecha (que está directamente de cara al viento) fuese el primero en empezar a girar cuando el viento empieza a soplar. Pero como puede ver, el aerogenerador de la derecha no arrancará a bajas velocidades de viento que, sin embargo, sí que son suficientes para hacer que los otros dos generadores funcionen. El motivo es que el pequeño bosque que está enfrente de las turbinas resguarda, particularmente, la que está más a la derecha. En este caso, la producción anual de estos aerogeneradores se verá probablemente reducida en un 15 por ciento de media, e incluso más en el caso de la turbina más a la derecha.
(Las turbinas están separadas aproximadamente 5 diámetros de rotor, y el bosque está situado a la misma distancia de la primera turbina. La razón por la que parece que las turbinas están tan cerca unas de otras es que el vídeo ha sido filmado a un 1,5 km de distancia, con el equivalente de una lente de 1200 mm para una cámara de 35 mm).
V
ista lateral de la corriente de viento alrededor de un obstáculo. Observe la acusada tubulencia de la circulación de aire corriente abajo..
Los obstáculos del viento tales como edificios, árboles, formaciones rocosas, etc. pueden disminuir la velocidad del viento de forma significativa y a menudo creanturbulencias en torno a ellos.
Como puede verse en este dibujo de típicas corrientes de viento alrededor de un obstáculo, la zona de turbulencias puede extenderse hasta una altura alrededor de 3 veces superior a la altura del obstáculo. La turbulencia es más acusada detrás del obstáculo que delante de él.
Así pues, lo mejor es evitar grandes obstáculos cerca de las turbinas eólicas, y en particular si se encuentran en la parte donde sopla en viento dominante, es decir, "en frente de la turbina".
Vista superior de la corriente de aire alrededor de un obstáculo
Resguardo tras los obstáculos
Los obstáculos disminuirán la velocidad del viento corriente abajo del obstáculo. Esta disminución depende de la porosidad del obstáculo, es decir, de cómo de "abierto" sea el obstáculo (la porosidad se define como el área libre dividida por el área total del objeto de cara al viento).
Obviamente un edificio es sólido y no tiene porosidad mientras que un árbol completamente abierto en invierno (sin hojas) puede dejar pasar a su través más de la mitad del viento. Sin embargo, en verano el follaje puede ser muy denso, con lo que puede hacer disminuir la porosidad hasta dejarla en una tercera parte.
El efecto de frenado del viento que un obstáculo produce aumenta con la altura y la longitud del mismo. Obviamente, el efecto será más pronunciado cerca del obstáculo y cerca del suelo.
Cuando los fabricantes y proyectistas calculan la producción de energía de un aerogenerador, siempre tienen en cuenta los obstáculos próximos a la turbina (a menos de un kilómetro en cualquiera de las direcciones más importantes del viento).
Abrigo del viento
Este gráfico le proporciona una estimación de cómo disminuye el viento tras un obstáculo romo, es decir, un obstáculo que no es aerodinámico. En este caso se ha tomado un edificio de oficinas de 7 plantas, de 20 metros de alto y 60 de ancho, situado a una distancia de 300 metros de un aerogenerador con una altura de buje de 50 m. El abrigo del viento puede verse literalmente en diferentes tonos de gris. Los números en azul indican la velocidad del viento en tanto por ciento de la velocidad del viento sin el obstáculo.
En la parte superior de la torre de aerogenerador amarillo la velocidad del viento a disminuido en un 3 por ciento (hasta el 97 por ciento) de la velocidad del viento sin el obstáculo. Observe que esto representa una pérdida de energía del viento de alrededor del 10 por ciento, es decir 1,03 3 - 1, tal y como puede verse en la gráfica de la parte inferior de esta página.
Si tiene un ordenador razonablemente rápido (ó un poco de paciencia con uno más lento) podrá dibujar tablas y gráficos como este usando el programa de cálculo del abrigo del viento que encontrará en un par de páginas.
Guía para el programa de cálculo del abrigo
El programa le proporcionará rápidamente los resultados a la altura del buje a la distancia del obstáculo que usted especifique. Si utiliza la aplicación de dibujo, su ordenador le calculará también 620 puntos de medida diferentes a diferentes alturas y distancias al obstáculo.
Altura de buje de la turbina
A mayor altura sobre la parte superior del obstáculo menor será el abrigo. Sin embargo, el abrigo puede extenderse hasta una altura cinco veces superior a la del obstáculo a una cierta distancia.
Si la altura del obstáculo es superior a la mitad de la altura de buje de la turbina los resultados son más inciertos, porque la geometría detallada del obstáculo (p.ej. diferentes inclinaciones del tejado del edificio) afectará al resultado. En ese caso el programa pondrá un aviso en la celda de texto bajo los resultados.
Distancia entre el obstáculo y la turbina
La distancia entre el obstáculo y la turbina es muy importante para el efecto de resguardo. En general el efecto del resguardo disminuirá conforme nos alejemos del obstáculo, tal y como un penacho de humo se diluye al alejarse de la chimenea. En un terreno con una rugosidad muy baja (p. ej. la superficie del agua) el efecto de los obstáculos (p. ej. una isla) puede medirse hasta 20 km más allá del obstáculo.
Si la distancia entre la turbina y el obstáculo es inferior a una longitud igual a cinco veces la altura del obstáculo los resultados son más inciertos, porque dependerán de la geometría exacta del obstáculo. En ese caso el programa pondrá un aviso en la celda de texto bajo los resultados.
Longitud de rugosidad o clase de rugosidad
La rugosidad del terreno entre el obstáculo y la turbina eólica tiene una gran influencia sobre en que proporción vaya a ser sentido el efecto resguardante. Un terreno de baja rugosidad permitirá al viento pasar por fuera del obstáculo para mezclarse más fácilmente con la estela tras el obstáculo, lo que hace que la sombra del viento sea relativamente menos importante.
Al principio puede ser un poco confuso considerar la rugosidad del terreno y los obstáculos individuales al mismo tiempo. Un buen sistema es considerar individualmente los obstáculos que están a menos de 1000 m del aerogenerador en las direcciones del viento dominante. El resto se considerarán como cambios en la rugosidad del terreno.
Altura del obstáculo
Cuanto más alto sea el obstáculo mayor será el abrigo.
Tal y como dijimos antes, si la turbina está a una distancia menor de cinco veces la altura del obstáculo, o el obstáculo es más alto que la mitad de la altura del buje, los resultado serán más inciertos, porque dependerán de la geometría exacta del obstáculo. En ese caso el programa pondrá un aviso en la celda de texto bajo los resultados.
Anchura del obstáculo
El modelo de cálculo del obstáculo trabaja considerando que los obstáculos son infinitamente largos y que están situados en ángulo recto (perpendiculares) respecto a la dirección del viento.
Un objeto muy estrecho proyectará una sombra del viento mucho más pequeña que uno ancho. Por razones prácticas adoptamos un estudio del horizonte dividido en 12 sectores de 30� cada uno alrededor de la turbina.
En la parte inferior del dibujo de la derecha del programa de cálculo del abrigo se muestra (en escalones del 10 por ciento) cuanto espacio ocupa el obstáculo en una determinada sección de 30�. La anchura del obstáculo puede modificarse en escalones del 10 por ciento haciendo click en los cuadrados de la parte inferior del gráfico.
También puede teclear directamente la longitud exacta del obstáculo (vista desde la turbina eólica), o bien introducir el porcentaje de anchura del sector que ocupa el objeto.
Porosidad
= 0%
= 30%
= 50%
= 70%
Un árbol sin hojas frenará el viento mucho menos que un edificio. Los árboles con un espeso follaje tendrán un efecto de frenado intermedio. En general, la sombra del viento será proporcional a (uno menos la porosidad del obstáculo).
La porosidad de un obstáculo es una indicación porcentual de como de abierto está un obstáculo, es decir, de con que facilidad puede el viento pasar a través de él. Obviamente un edificio tiene una porosidad nula. Un grupo de edificios con algo de espacio entre ellos tendrá una porosidad igual a (área del espacio abierto) dividida por (el área total de ambos edificios más la del espacio abierto entre ellos, visto desde el aerogenerador).
Puede introducir la porosidad directamente en el programa, bien seleccionando uno de los botones con los símbolos mostrados arriba o bien utilizando el menú de valores sugeridos para diferentes objetos.
Botones de control
Aceptar calcula su última entrada. Puede usar el tabulador o en lugar de eso simplemente hacer click fuera del campo que cambia.
Dibujar la velocidad del viento proporciona un gráfico y una tabla del porcentaje de velocidad del viento que queda a un número de alturas y distancias hasta 1,5 veces la altura y la distancia del buje de su turbina eólica. La torre de la turbina se muestra en amarillo. Los cálculos son bastante complejos, por lo que deberá ser paciente si su ordenador es lento.
Dibujar la energía del viento proporciona un gráfico y una tabla del porcentaje de energía del viento que queda a un número de alturas y distancias hasta 1.5 veces la altura y la distancia del buje de su aerogenerador. La torre de la turbina se muestra en amarillo. Los cálculos son bastante complejos, por lo que deberá tener paciencia si su ordenador es lento.
Dibujar el perfil de velocidades proporciona un dibujo del perfil de velocidades a diferentes alturas hasta 100 metros a la distancia donde ha colocado su turbina. En la curva roja puede ver directamente como cae la velocidad del viento por la acción de los obstáculos. Puede introducir la velocidad del viento que desee para la altura del buje (la forma del dibujo seguirá siendo la misma, debido a que los obstáculos causan un cambio relativo en la velocidad del viento). La curva corresponde a las dibujadas por el programa de cálculo de la velocidad del viento.
Resultados
En la línea de resultados del programa se indica cuál será el porcentaje de disminución de la velocidad del viento debido a la presencia del obstáculo. Puede trazar el cambio en las velocidades del viento para un número de alturas y distancias hasta 1.5 veces su distancia y altura seleccionando el botón dibujar la velocidad del viento.
(Si está trabajando con una distribución de Weibull determinada que describe el viento en ese sector particular, el cambio de la velocidad del viento corresponde a un cambio de factor de escala A. Si usa los resultados de esos cálculos para hallar una distribución de Weibull, puede simplemente ajustar el factor de escala A con ese cambio. El parámetro de forma, k, permanece constante. La distribución de Weibull aparecerá más tarde en esta visita guiada, cuando veamos cómo hallar la producción de energía de un aerogenerador).
En la línea de resultados también se indica la pérdida de energía del viento debida a la presencia del obstáculo. Puede trazar el cambio en la energía del viento para un número de alturas y distancias hasta 1,5 veces su distancia y altura seleccionando el botón Dibujar la energía del viento.
Cálculo de obstáculos más complejos
Los obstáculos pueden no ser perpendiculares a la bisectriz del sector, y puede haber varias filas de obstáculos. Aunque puede seguir utilizando el programa, probablemente desee utilizar un programa de cálculo eólico profesional, como WindPro ó WAsP ,para tratar sus datos en estos casos.
Los métodos usados en el programa de cálculo eólico están basados en el Atlas Eólico Europeo. Sin embargo, si lee el capítulo 8 de dicho atlas se dará cuenta de que hay un errata en la fórmula 8.25.
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