Rugosidad y cizallamiento

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 túnel y 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

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 arriba).

Las ovejas son las mejores amigas de los aerogeneradores. En este dibujo de Akaroa Spit (Nueva Zelanda) las ovejas mantiene baja

rugosidad gracias a su pastoreo. Fotografía Søren Krohn

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.