El viento es el resultado del movimiento del aire atmosférico el que es causado principalmente por la radiación solar, la cual es

absorbida y reflejada por las diferentes capas de la atmósfera y por los diferentes tipos de superficies existentes sobre la tierra. De este modo, la atmósfera se calienta en forma desigual, originando

circulación por convecciónA nivel planetario, este hecho se manifiesta con un mayor calentamiento del aire en las zonas tropicales que lo hace

ascender, siendo su lugar ocupado por aire más frío proveniente de los polos. Esta acción se combina con la rotación de la tierra y

la fuerza de la gravedad contribuyendo a la formación de los vientos

Introduccion

FUENTES DE LA ENERGÍA FUENTES DE LA ENERGÍA EÓLICAEÓLICA

Todas las fuentes de energía renovables Todas las fuentes de energía renovables (excepto la mareomotriz y la geotérmica), (excepto la mareomotriz y la geotérmica), e incluso la energía de los combustibles e incluso la energía de los combustibles fósiles, provienen del sol. El sol irradia fósiles, provienen del sol. El sol irradia 174.423.000.000.000 KW/h de energía por 174.423.000.000.000 KW/h de energía por hora hacia la Tierra. En otras palabras, la hora hacia la Tierra. En otras palabras, la Tierra recibe 1,74 x 10Tierra recibe 1,74 x 10↑↑17 W de potencia 17 W de potencia en ese lapso.en ese lapso.

Alrededor de un 1 a un 2% de la energía Alrededor de un 1 a un 2% de la energía proveniente del sol es convertida en proveniente del sol es convertida en energía eólica. energía eólica.

La fuerza de CoriolisLa fuerza de Coriolis

El matemático francés Gustave Gaspard El matemático francés Gustave Gaspard Coriolis (1792-1842) estudió los efectos Coriolis (1792-1842) estudió los efectos que la rotación del globo producía en que la rotación del globo producía en los objetos en puntos diametralmente los objetos en puntos diametralmente opuestos como el Hemisferio Norte y el opuestos como el Hemisferio Norte y el Hemisferio Sur. Mientras que en el Hemisferio Sur. Mientras que en el hemisferio Norte los movimientos eran hemisferio Norte los movimientos eran desviados hacia la derecha, en el desviados hacia la derecha, en el hemisferio Sur los movimientos eran hemisferio Sur los movimientos eran desviados hacia la izquierda. En el desviados hacia la izquierda. En el hemisferio norte el viento tiende a girar hemisferio norte el viento tiende a girar en el sentido contrario al de las agujas en el sentido contrario al de las agujas del reloj (visto desde arriba) cuando se del reloj (visto desde arriba) cuando se acerca a un área de bajas presiones. En acerca a un área de bajas presiones. En el hemisferio sur el viento gira en el el hemisferio sur el viento gira en el sentido de las agujas del reloj alrededor sentido de las agujas del reloj alrededor de áreas de bajas presiones. de áreas de bajas presiones.

Movimiento convectivo en la atmósfera

VIENTOS GLOBALES

Vientos geostróficosVientos geostróficos La atmósfera (Troposfera) 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.

Vientos de superficie Los vientos están mucho más influenciados por la superficie terrestre a altitudes de hasta 100 m. y son frenados por la rugosidad de la superficie de la tierra y por los obstáculos. Las direcciones del viento cerca de la superficie serán ligeramente diferentes de las de los vientos geostróficos debido a la rotación de la tierra.

Vientos locales 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 marinasBrisas marinas

Durante el día la tierra se calienta más rápidamente Durante el día la tierra se calienta más rápidamente que el mar por efecto del sol. El aire sube, que el mar por efecto del sol. El aire sube, circula hacia el mar, y crea una depresión a circula hacia el mar, y crea una depresión a nivel del suelo que atrae el aire frío del mar. nivel del suelo que atrae el aire frío del mar. Esto es lo que se llama brisa marina. A menudo Esto es lo que se llama brisa marina. A menudo hay un periodo de calma al anochecer, cuando hay un periodo de calma al anochecer, cuando las temperaturas del suelo y del mar se igualan. las temperaturas del suelo y del mar se igualan.

Durante la noche los vientos soplan en sentido Durante la noche los vientos soplan en sentido contrario. Normalmente durante la noche la contrario. Normalmente durante la noche la brisa terrestre tiene velocidades inferiores, brisa terrestre tiene velocidades inferiores, debido a que la diferencia de temperaturas debido a que la diferencia de temperaturas entre la tierra y el mar es más pequeña. entre la tierra y el mar es más pequeña.

Vientos de montañaUn ejemplo es el viento del valle que se origina en las laderas que dan al sur en el hemisferio norte (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. En la región del Dpto Pedernera de la Pcia. de San Luis, Rep. Arg., es posible que dichas características las tenga el Cerro del Morro, digno de ser tenido en cuenta para ser analizado en su potencial eólico.

VARIABILIDAD DE LA VELOCIDAD DEL VIENTOVARIABILIDAD DE LA VELOCIDAD DEL VIENTO Variabilidad del viento a corto plazo

Variaciones diurnas (noche y día) del viento

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.

Esta variación se debe sobretodo a que las diferencias de temperatura, por ejemplo entre la superficie del mar y la superficie terrestre, son mayores durante el día que durante la noche.

El hecho de que la mayor parte de la energía eólica se produzca durante el día es una ventaja desde el punto de vista de los propietarios de aerogeneradores, ya que el consumo de energía es mayor que durante la noche.

RáfagasPara el cálculo de resistencia estructural de las turbinas es necesario conocer los valores de velocidad media máxima de una lugar y los valores de las ráfagas que puedan ocurrir, así como la velocidad media del viento es fundamental para el cálculo de la energía que pueden captar las turbinas eólicas. Es por esta razón que el diseño estructural tiene que tener en cuenta el efecto dinámico que comprende la flexibilidad de toda la turbina y especialmente la flexibilidad de la hélice y de la columna soporte

Turbulencias Por lo general el movimiento atmosférico presenta características de flujo turbulento, aunque bajo algunas circunstancias especiales, el aire circula en forma de flujo laminar. En este último caso, las pequeñas fluctuaciones que naturalmente se producen en el movimiento del aire, son amortiguadas por lo que el flujo resultante es suave y ordenado. Sin embargo, normalmente esto no ocurre incrementándose las perturbaciones por lo que el flujo se hace turbulento.

SELECCIÓN DEL LUGAR PARA INSTALAR LA TURBINA

2.8.1. ObstáculosEl eficiente funcionamiento de una turbina depende, esencialmente, de cuánto la afectan los obstáculos o las ondulaciones del terreno circundante. Para asegurar esta eficiencia, la instalación de una turbina debe ser cuidadosamente estudiada.Llamando h, la altura de los obstáculos en la zona, se pueden presentar los siguientes casos:

Edificios: el aparato deberá instalarse:A más de 10 h detrás del obstáculo (según la dirección del

viento), oA más de 2 h delante del obstáculo.Si estos requisitos no se pueden cumplir, se deberá

considerar la altura del obstáculo para posteriormente ubicar el aerogenerador a una altura sobre el suelo de más de 2h.

Barrera de árboles: el aparato se deberá ubicar

A una distancia de más de 5 veces la altura de los árboles delante del comienzo de la barrera de árboles.

A una distancia de más de 15 veces la altura de los árboles detrás de la barrera

En todos los casos deberá evitarse la turbulencia producida por los obstáculos alejándose del mismo o elevando la altura de la torre unas 2 veces por encima del obstáculo próximo, lo suficiente para poder ubicar toda la hélice fuera del área turbulenta.

OBSTÁCULOS AL VIENTO En algunas oportunidades, lo que puede considerarse un comportamiento obvio en situaciones normales, se transforma en un fenómeno que contradice los supuestos iniciales.En un emplazamiento eólico de una zona costera donde las turbinas se hallan separadas aproximadamente 5 diámetros de rotor, con el viento viniendo desde la parte derecha de la fotografía y con un pequeño bosque que se sitúa enfrente de las turbinas, a la misma distancia de 5 diámetros de rotor de la primera turbina, se presenta un interesante fenómeno: Se debería 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, sin embargo los primeros que lo harán serán los aerogeneradores siguientes.

RUGOSIDAD Y CIZALLAMIENTO DEL VIENTO

Como ya se ha visto, la influencia que la superficie terrestre ejerce sobre las velocidades del viento es inversamente proporcional a la altura a la que se realice el estudio. Es así que 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

TABLA 2-2 PARÁMETROS DE RUGOSIDAD PARA ALGUNAS SUPERFICIES

Tipo de Superfi

cie

Parámetro de

Rugosidad, Z0

[m]

Tipo de Superfi

cie

Parámetro de Rugosid

ad, Z0

[m]

Hielo 10-5 a 3. 10-5 Trigo 0,045

Superficies de Agua

2. 10-4 a 3. 10-4 Palmeras 0,1 a 0,3

Superficies de Arena

10-4 a 10-3 Árboles bajos 0,05 a 0,1

Superficie con Nieve

4,9. 10-3 Árboles altos 0,2 a 0,9

Pasto cortado 10-3 a 0,01 Suburbio 1 a 2

Pasto alto 0,039 Ciudad 1 a 4

En general:la sombra del viento será proporcional a

[ la porosidad del obstáculo] Se puede determinar que:

Un edificio tiene una porosidad nulaUn árbol sin hojas frenará el viento

mucho menos que el edificio,Los árboles con follaje espeso tendrán un

efecto de frenado intermedio yUn conjunto de edificios con algo de

espacio entre ellos tendrá una porosidad igual a siguiente relación

VARIACIÓN DE LA VELOCIDAD CON LA

ALTURALa velocidad del viento aumenta con la altura. La turbulencia de la atmósfera y la fricción contra el suelo de las capas inferiores, determina la forma de esta variación que puede expresarse como:

u = u1 (Z↑e – Z0 ↑ e)

(Z1 ↑ e – Z0 ↑ e)

Z0 = medida del tamaño de los remolinos producido por la rugosidad del terrenoZ1 = medida a una cierta altura del sueloZ = medida que se quiere averiguaru1 = velocidad del viento medida a la Z1u = velocidad incógnita0 < e < 0,5 para condiciones atmosféricas estables(- 0,5) < e < 0 para condiciones atmosféricas inestablese = 0 para condiciones atmosféricas neutras

u = u1 ln Z / Z 0

ln Z1 / Z0

La “Ley de Variación Logarítmica” ha sido estudiada en un gran número de observaciones experimentales y su validez ha sido verificada en condiciones de

estabilidad neutra

Árboles diversos = 30%

Muro= 0%

Árbol tupido = 50%

Árbol sin follaje = 70%

MEDICIÓN DE LA VELOCIDAD DEL VIENTO: ANEMÓMETROS Las mediciones de las velocidades del viento se realizan normalmente usando un anemómetro de cazoletas, similar al de la figura . 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.

Registrador de datos ('data

logger‘) Mástil

ANEMÓMETROS

Las velocidades del viento son medidas cada 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 velocidades medias.

DESCRIPCIÓN DE LAS VARIACIONES DEL VIENTO: DESCRIPCIÓN DE LAS VARIACIONES DEL VIENTO: DISTRIBUCIÓN DE WEIBULL DISTRIBUCIÓN DE WEIBULL

Modelo general de las variaciones en la velocidad del viento Son varios los aspectos relevantes que intervienen en el diseño de un aerogenerador y de la precisión de la información que se tenga, dependen importantes decisiones a tomar. A saber :

La industria eólica debe ser capaz de describir la variación de las velocidades del viento. Los proyectistas de turbinas necesitan información precisa que les permita optimizar el diseño de sus aerogeneradores, así como para minimizar los costes de generación. Los inversores necesitan la información para estimar sus ingresos por producción de electricidad.

Las mediciones de las velocidades del viento a lo largo de un año demuestran que en la mayoría de áreas

los fuertes vendavales son raros siendo lo mas común que los vientos sean constantemente moderados.

La variación del viento en un emplazamiento típico suele describirse utilizando la llamada Distribución de Weibull, como la mostrada en la gráfica Este emplazamiento particular tiene una velocidad media del viento de 7 m/s, y la forma de la curva está determinada por un parámetro de forma de numero “2”. La Función de Weibull tiene la forma

W (v) = k / c . (V / c)↑ K-1. [e -(V/c)]↑ K en donde c y k: son parámetros de escala y de forma respectivamente.

Esta fórmula se utiliza para determinar la relación entre velocidades instantáneas y medias anuales en general, para luego evaluar el rendimiento o el aprovechamiento energético de la turbina en diseño al ser emplazada en un determinado lugar, con una

velocidad promedio anual conocida.

Descripción estadística de las velocidades del viento

Esta distribución anual de la velocidad del viento es importante para poder evaluar la energía eólica disponible de un lugar. Sin embargo no siempre se dispone de todos los datos necesarios y en algunos casos se tiene el valor de la velocidad media.

La gráfica representa las variaciones del viento, muestra una distribución de probabilidad. En esta se representa las variaciones del viento, muestra una distribución de probabilidad. área bajo la curva siempre vale exactamente 1, ya que la probabilidad de que el viento sople a cualquiera de las velocidades, incluyendo el cero, debe ser del 100 %.

La velocidad del viento media resultará de multiplicar cada diminuto intervalo de la velocidad del viento por la probabilidad de tener esa velocidad particular. La velocidad media es un primer indicador del potencial eólico y debe completarse con la duración anual de velocidades del viento de diferentes magnitudes, es decir cuantas horas por año sopla a una determinada velocidad.

Para representar gráficamente la distribución de la energía y, a partir de ella, la verdadera indicación del potencial eólico disponible, se debe considerar la potencia por unidad de área perpendicular a la dirección del viento, es decir:

P/A = ½ ρ V3Entonces la energía por unidad de área, producida por una velocidad Vi que sopla durante un tiempo ti , será:

E i = ½ ρ V i3 t iCon esta expresión, usando los datos de las velocidades horarias medias y los tiempos de duración de cada rango, se obtiene la distribución anual de la energía.

Los fabricantes de aerogeneradores proporcionan gráficas de rendimiento para sus máquinas usando la distribución de Rayleigh

Curva de duración de la Potencia Media

Formula de la Potencia del viento La potencia del viento que pasa perpendicularmente a través de un área circular es: P = ½ ρ v↑3 r↑2en donde:P = potencia del viento medida en W (watt)ρ = densidad del aire seco = 1.225 medida en Kg/m3 (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)π = 3.1415926535... r = radio (diámetro/2) del rotor medido en m (metros)Los aerogeneradores desvían el viento. En realidad, un aerogenerador desviará el viento antes incluso de que el viento llegue al plano del rotor. Esto significa que nunca será posible capturar toda la energía que hay en el viento utilizando un aerogenerador.

Potencia del viento Como se ha visto en referencia a la energía en el viento, el potencial de energía por segundo (la potencia) varía proporcionalmente al cubo de la velocidad del viento (la tercera potencia), y proporcionalmente a la densidad del aire (su peso por unidad de volumen). Combinando todas estas relaciones, se está en condiciones de afirmar que si se multiplica la potencia de cada velocidad del viento con la probabilidad de cada velocidad del viento de la gráfica de Weibull, se podrá calcular la distribución de energía eólica a diferentes velocidades del viento = la densidad de potencia. De esta manera, la curva de Weibull anterior cambia de forma debido a que las altas velocidades del viento tienen la

mayor parte de la potencia del viento.

La ley de BetzLa ley de Betz afirma que sólo puede convertirse menos del 59 % de la energía cinética en energía mecánica usando un aerogenerador. Sorprendentemente esta afirmación general tan tajante se pueda aplicar a cualquier aerogenerador con un rotor en forma de disco.

ESTUDIO DE FACTIBILIDAD DE INSTALACIÓN DE UN GENERADOR

EOLICO DE MEDIA Y ALTA POTENCIA EN VILLA MERCEDES (SAN LUIS –

REPÚBLICA ARGENTINA)

Muchas Gracias