Generadores eólicos (segunda parte)

Meteorología

El viento

La finalidad de este subtítulo es tratar de manera superficial, aquel fenómeno tan perceptible pero que pasa tan desapercibido ante nosotros, el viento. Se abordará solamente algunas características del viento que serán útiles para la construcción de los aeromotores; además se hará una referencia a las características del viento altiplánico y se tomará como ejemplo las cercanías de la ciudad de Oruro, por tener este lugar características semejantes a la región en su totalidad.

Origen del viento

La atmósfera constituida esencialmente por oxígeno, nitrógeno y vapor de agua, se caracteriza por su presión, que varía con la altura.

La radiación solar se absorbe de manera muy distinta en los polos que en el ecuador, a causa de la redondez de la tierra. Es pues la energía absorbida en el ecuador mucho mayor a la de la absorbida en los polos. Estas variaciones de temperatura, provocan cambios en la densidad de las masas de aire, por lo que se desplazan en diferentes latitudes. Estas traslaciones se realizan desde las zonas en que la densidad del aire (presión atmosférica) es alta en dirección a las de baja presión atmosférica.

Se establece así, cierto equilibrio por transferencia de energía hacia las zonas de temperaturas extremas, que sin esto serían inhabitables. Existen otros desplazamientos que se ejercen perpendicularmente a la dirección del movimiento de las masas de aire, hacia la derecha en el hemisferio norte, y hacia la izquierda en el hemisferio sur.

Sin embargo, estas direcciones, están frecuentemente perturbadas por:

• Las tormentas que desvían la dirección dominante, como se hace patente en registros
• Los obstáculos naturales, bosques, cañadas, depresiones, etc. Estos obstáculos modifican la circulación de las masas de aire en dirección y velocidad
• Las depresiones ciclónicas que pueden desplazarse en cualquier dirección, pero de hecho, tienen ciertas direcciones establecidas, superponiéndose, al sistema general de presión atmosférica

El viento se caracteriza entonces, por dos grandes variables respecto al tiempo: La velocidad y la dirección. La velocidad incide más directamente que la dirección en el rendimiento de la estación.

Valoración de las velocidades del viento.

Velocidad del viento-variaciones de la velocidad del viento en el tiempo

Fenómenos instantáneos: Ráfagas

Son difíciles de caracterizar; para tener una idea aproximada de estas variaciones, se necesitan registros meteorológicos de vientos periódicos, de por lo menos 20 años hacia atrás.

No obstante, nosotros contamos con un registro de estos fenómenos instantáneos de hace 10 años, estos datos fueron recogidos por SENAMHI (Servicio Nacional de Meteorología) con sub- base en Vinto (Oruro).

Por lo tanto, cuando se quiere utilizar la energía eólica, es importante tener en cuenta las ráfagas. Así, las variaciones bruscas de la velocidad del viento originan variaciones muy considerables de la energía aplicada al aeromotor.

Un viento presentado en ráfagas, impondrá condiciones que se deberán tener en cuenta durante la utilización del aeromotor y en el cálculo de su soporte; casi todos los sistemas de regulación tienen generalmente una inercia muy superior a la duración de una ráfaga.

En el lugar de emplazamiento se presentaron ráfagas de hasta 22 m/s.

Fenómenos diarios.

Se deben a los fenómenos térmicos producidos por la radiación solar. Las variaciones de temperatura con la altitud crean corrientes ascendentes. La velocidad media del viento es más débil por la noche, con pocas variaciones. Aumenta a partir de la salida del sol y alcanza su máximo entre las 12 pm. y las 16 pm. horas de T.U.

En las afueras de la ciudad se puede hacer tangible esta afirmación, pues a partir de las 12:00 la velocidad del viento aumenta de manera considerable hasta más o menos con variaciones leves hasta las 23:00 horas.

"El Viento Foehn". Si el viento recorre un sector montañoso se ve obligado a elevarse, lo que comporta la condensación y la lluvia. El calor perdido por el vapor de agua pasa al aire. En la otra vertiente de la montaña será seco y cálido. Este caso es particularmente aplicable a la planicie precedida por los Andes de la región altiplánica de Oruro.

El viento "Foehn".

Fenómenos estacionales.

Fenómenos mensuales.

Las variaciones mensuales dependen esencialmente del lugar geográfico y solo las estadísticas meteorológicas pueden predecir estas variaciones.

Según el SENAMHI, los meses más ventosos generalmente, son: septiembre, octubre, noviembre, diciembre y enero; con velocidades de 6 a 8 m/s. estos son promedios mensuales, por lo que las velocidades representadas tiene notable diferencia con las velocidades reales diarias.

Fenómenos anuales.

Las variaciones anuales son periódicas con buena precisión en los datos, de modo que de un año a otro, es posible hacer una buena evaluación de la energía eólica recuperable en un lugar determinado.

Las masas de aire que se mueven en Oruro tienden a disminuir de velocidad con el transcurso de los años. Tomaremos como ejemplo el registro de Noviembre de 1.990 la velocidad registrada fue de 6,82 m/s y de Noviembre de 1.995 que fue de 6,51 m/s.

Variaciones de la velocidad del viento con la altitud

Dependen esencialmente del relieve del terreno por el cual se mueven las masas de aire. Estas variaciones se pueden representar por la ley:

Donde V₁ y V₂ representan las velocidades horizontales del viento a las alturas h₁ (altura de la torre) y h₂ (altura del radio de las palas del aeromotor). El exponente θ caracteriza al terreno. En la siguiente tabla se encuentran los valores de θ para diferentes tipos de terreno agrupados en cuatro familias.

Remplazando:

h₁ = 12 m

h₂ = 2,5 m

θ₁ = 0,08 (mínima)

θ₂ = 0,12 (máxima)

Resultado:

V₂/V₁ = 1,13 (mínima)

V₂/V₁ = 1,21 (máxima)

Con θ = 0,096·log h₀ + 0,016·(log h₀)? + 0,24

Esto muestra que los lugares más interesantes para la recuperación de energía eólica son los poco o no accidentados, para los cuales el exponente θ es bajo. En efecto se beneficia de velocidades elevadas cerca del suelo y la variación de la velocidad con la altura es mínima. Esto tiene como consecuencia la disminución de los esfuerzos cíclicos sobre las palas del aeromotor cuando esta girando. Esta consideración más importante cuanto mayor sea el diámetro del rotor.

En general el altiplano de Bolivia, en la parte Este es casi totalmente llano, con algunas elevaciones pequeñas entre montaña y montaña. Especialmente en la zona de Oruro se presenta un embudo demarcado por las serranías Sancaré y las faldas de la Cordillera Real. Este embudo viene desde el departamento de la Paz. Por tanto el exponente θ es bajo; beneficiable para al recuperación de energía eólica.

En esta zona semidesértica existen pequeñas elevaciones geográficas (cerros, montes) que pueden ser aprovechados en favor de la energía recuperable. Al colocar el aeromotor en una pequeña cuesta existe un aumento de velocidad de hasta el 20 % del original.

Variaciones de orientación del viento en el tiempo

Variaciones instantáneas de dirección: turbulencias.

Son características propias de lugares con terreno accidentado que perturban las masas de aire. Estas variaciones instantáneas imponen esfuerzos muy severos a todos los aeromotores de eje horizontal.

Este como se ha visto anteriormente no es nuestro caso, aunque existen ciclones y anticiclones, que son dignos de tomar en cuenta al momento de probar el aeromotor. Los ciclones se producen cuando existe una corriente tropical al este de una corriente polar, por efecto de la rotación de la tierra, tenderán a separarse quedando entre ellas una zona de vació que derivará en un sistema de bajas presiones, si las corrientes son muy potentes se forma un ciclón, de forma que el aire caliente se dirija al centro en sentido contrario a las manecillas del reloj. El anticiclón procede de una corriente tropical al oeste de una polar en el que las presiones disminuyen del centro para afuera y las corrientes que salen lo hacen en sentido igual al de las manecillas del reloj.

Variaciones estacionales.

A cada estación le corresponde una dirección general del viento. Siendo esta muy particular al lugar en que se estudie tomando en cuenta la latitud y longitud en que se encuentre.

En la alcarria, se presentan las siguientes características estacionales:

• Verano: Los vientos tienen una dirección predominante de este; noreste; norte
• Otoño: Los vientos tienen una dirección predominante de este; norte
• Invierno: Los viento tienen una dirección predominante de norte; noroeste
• Primavera: Los vientos tiene una dirección predominante de norte

Importancia de estos fenómenos para la instalación eólica

El buen funcionamiento de la máquina requiere de un estudio profundo del lugar en función de los fenómenos antes explicados.

En el caso de utilización de aeromotores de pequeña y mediana potencia, la instalación esta adherida a los elementos desfavorables siendo estos en la mayoría de los casos insuperables. Ahí es donde el altiplano encuentra su funcionalidad dentro el proyecto, por sus características favorables.

Medición de las velocidades del viento

Antes de comenzar la explotación de una estación de energía eólica, en un lugar dado, es necesario disponer de un mínimo de datos sobre las características del viento en dicho lugar. Este estudio debe ser llevado con datos anteriores a tres años en un determinado lugar.

Lugares de emplazamiento de los aeromotores

Para todo tipo de aeromotor la elección del emplazamiento es un elemento determinante, los parámetros varían según la potencia del aeromotor.

1) Para las grandes máquinas (P > 100 kW), el número de emplazamientos es casi limitado, puesto que el criterio esencial de elección es: el coste de la unidad de energía kilowatt hora (kW·h) producida debe ser competitiva con otras fuentes de energía. Es, por lo tanto, necesaria una gran cantidad de energía potencial y también un previo estudio profundo del viento en diferentes partes del lugar de emplazamiento.

2) Para pequeñas potencia (P < 10 kW); el número de emplazamientos es también limitado, puesto que el criterio esencial es en este caso es la proximidad al usuario. No es indispensable una gran cantidad de energía potencial.

Trataremos desde ahora, criterios para la elección de emplazamientos para pequeños aerogeneradores. Es decir no teniendo en cuenta el precio del terreno.

Determinación del emplazamiento

Potencial eólico

La evaluación de la energía recuperable en un lugar debe conocerse o estimarse antes de cualquier otro trabajo. El usuario debe estar seguro de si el viento puede abastecer sus necesidades energéticas, y que la inversión no será desproporcionada al rendimiento del aeromotor.

Es necesario un pequeño estudio económico cuando en el posible emplazamiento se dispone de otra fuente de energía; como una línea de distribución, etc. Aunque este sería un estudio con una aplicabilidad de grandes envergaduras.

Entendiendo que este trabajo tiene como finalidad presentar una alternativa razonable de tipo energética a la zonas rurales, y sabiendo que la extensión altiplánica es enorme entre puntos poblados. Sería poco razonable dar datos irreales sobre los costes de instalación de un tendido eléctrico desde las urbes a los ya mencionados poblados. El aerogenerador proyectado es de tipo general es decir este puede ser instalado en cualquier punto favorable, entre las cordillera real y occidental.

Los siguientes gráficos muestran las prestaciones del potencial eólico en un lugar no designado.

Las abscisas pueden graduarse en %.

Las ordenadas pueden graduarse en kW/m²

Curvas de duración de velocidades.

Consideraciones sobre el lugar de instalación cuando no se dispone de estadísticas apropiadas.

Medios para medir la velocidades del viento: existen algunos aparatos para esta medición, pero el más utilizado es el anemómetro de cazoletas cuya rotación es más rápida cuanto mayor sea la velocidad del viento, hallándose en un registrador eléctrico que genera datos lineales (eoleograma).

Las lecturas de velocidad deberán hacerse a una hora fija (se harán todas las medidas a una misma hora y lugar).

Obstáculos de los alrededores.

Perturbaciones del viento con el terreno.

(Cada vector representa la dirección y el valor de la velocidad a la altura considerada).

I---Colinas de pendientes suaves y cima redondeada: lugar muy favorable, el incremento de velocidad puede llegar a un 20 %.

II--Colinas de pendientes fuertes y cima acantilada: lugar provocante de la destrucción del aeromotor en un tiempo breve.

III-Peñón, árbol, edificio, casa, etc. Producen mucha turbulencia.

En el suelo las perturbaciones aumentan con el viento.

Cuando se conozca la viabilidad de la energía eólica, será necesaria una selección del emplazamiento en función de las distancias a los posible obstáculos y sobre todo en dirección de los vientos predominantes.

Siempre que sea posible, se emplazará el aeromotor en lugares no perturbados por los vientos dominantes y en caso contrario a una distancia que depende de la forma del obstáculo y su tamaño.

Torre (cuadrada o cilíndrica): 10 veces el diámetro.

Muro: 10 veces la altura.

Arboles: 6 veces la altura.

En el caso particular del relieve se debe hacer el emplazamiento en lugares poco accidentados.

El objetivo de este estudio es evitar las tensiones variables con el tiempo en velocidad que son dañinas para la máquina a corto o mediano plazo.

Dada la geografía plana del altiplano boliviano y siendo los vientos predominantes constantes, se podría afirmar que este lugar es muy apto para la recuperación eólica en cualquier punto de su extensión; esto desde el punto de vista teórico.

Determinación en relación a elementos favorables

1) La mínima vegetación posible

2) Colinas de poca pendiente (ver figura), o estrechamientos de valles

3) Naturaleza del terreno para los cimientos de la torre. Sería perfecto si el terreno fuera rocoso. Se estudiará en particular la torre abatible

4) Medios de acceso fáciles para el mantenimiento y construcción

5) Proximidad del usuario o del almacenamiento; cuanto más cortas sean las transmisiones eléctricas, menos pérdidas habrá, por ejemplo la caída de la tensión U se puede determinar por:

Longitud del cable entre el aerogenerador y el consumo en metros.

s: sección del cable en m²

f: Resistividad del material utilizado.

Cobre: 1,8Å

Cobre: 1,8·10⁻⁸ Wm.

Aluminio: 2,7·10⁻⁸ Wm.

I: intensidad nominal en ampere.

n: número de conductores según sea monofásico o trifásico.

Torre de soporte

Se determina la altura que muchas veces es el único parámetro que se puede variar en los aeromotores pequeños ya que los demás parámetros precedentes son muy poco variables.

La altura dependerá de los obstáculos circundantes. Según la ley de variación del viento en función de la altura y de los criterios de turbulencia; la altura se determina por el siguiente criterio:

En los lugares favorables el soporte tendrá una altura mínima de 6 metros.

Más fácil y económico es disponer de una torre abatible. Los lugares que pueden proporcionar el máximo de energía anual sin crear problemas mecánicos son aquellos en los cuales los vientos son regulares con una velocidad media de 6 a 8 m/s.

Autor: Aldo Barbera Saal, Erich Rude Cuzmar, David Mercado Mendoza. Bolivia.

Editor: Ricardo Santiago Netto (Administrador de Fisicanet).

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Velocidad del viento-variaciones de la velocidad del viento en el tiempo. Torre de soporte.