1.- Energía Eólica Aerogeneradores

MASTER EN MANTENIMIENTO INDUSTRIAL Y TCNICAS DE DIAGNSTICO

*Energa Elica* ---Aerogeneradores---

Abel Maestre Gaya

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INDICE DE CONTENIDOS0.- HISTORIA DE LA ENERGIA EOLICA. 1..- RECURSOS EOLICOS 1.1 De donde procede la energa elica? Las diferencias de temperatura conllevan la circulacin de aire 1.2 La fuerza de Coriolis 1.3 Recursos elicos: Vientos globales Cmo afecta la fuerza de Coriolis a los vientos globales Direcciones de viento dominantes La atmsfera (Troposfera) El viento geostrfico Vientos de superficie 1.4 Vientos locales: brisas marinas Brisas marinas 1.5 La energa en el viento: densidad del aire y rea de barrido del rotor Densidad del aire rea de barrido del rotor 1.6 Los aerogeneradores desvan el viento El tubo de corriente Distribucin de la presin del aire en la parte delantera y trasera del rotor Qu ocurre corriente abajo? Por qu no un tubo de corriente cilndrico? 1.7 La potencia del viento: cubo de la velocidad del viento Potencia de la frmula del viento 1.8 Medicin de la velocidad del viento: anemmetros Los anemmetros de calidad son una necesidad para las mediciones de energa elica 1.9 Mediciones de la velocidad del viento en la prctica Qu mstil elegir? El registrador de datos ('data logger') Condiciones rticas Medias de 10 minutos 1.10 La rosa de los vientos Variabilidad de las rosas de los vientos Cmo utilizar una rosa de los vientos 2.-EMPLAZAMIENTO 2.1 Rugosidad y cizallamiento del viento Rugosidad Clase de rugosidad y longitud de rugosidad 2.2 Cizallamiento del viento y escarpas 2.3 La rosa de las rugosidades Obtencin de la rugosidad media en cada sector Representacin de los cambios de rugosidad dentro de cada sector Representacin de los obstculos del viento 2.4 Variabilidad de la velocidad del viento Variabilidad del viento a corto plazo Variaciones diurnas (noche y da) del viento 2.5 Turbulencia Resguardo tras los obstculos 2.6 Abrigo del viento 2.7 Efecto de la estela 2.8 El efecto del parque Distribucin en planta del parque Prdida de energa debida al efecto del parque 2.9 Efectos aceleradores: efecto tnel Efecto tnel 2.10 Efecto de la colina 2.11 Seleccin del emplazamiento de un aerogenerador Condiciones elicas Buscar una perspectiva Conexin a la red Refuerzo de red Condiciones del suelo Riesgos en el uso de datos meteorolgicos 2.12 Condiciones elicas marinas Condiciones elicas en el mar Bajo cizallamiento del viento implica menor altura de buje Baja intensidad de las turbulencias = mayor tiempo de vida de los aerogeneradores Condiciones del abrigo del viento en el mar 2.13 Mapa elico de Europa Occidental Cmo leer el mapa elico de Europa Occidental La potencia del viento

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La realidad es ms complicada Utilizacin del mapa elico para planificacin Utilizacin del mapa elico para prospecciones elicas Estado de los mtodos grficos de evaluacin elica 3.-ENERGIA PRODUCIDA 3.1 Descripcin de las variaciones del viento: distribucin de Weibull Modelo general de las variaciones en la velocidad del viento Descripcin estadstica de las velocidades del viento Equilibrado de la distribucin de Weibull 3.2 La falacia de la botella promedio 3.3 Potencia media (promedio) del viento Equilibrado de la distribucin de potencia 3.4 La ley de Betz El frenado ideal del viento La ley de Betz 3.5 Funcin de densidad de potencia Potencia del viento De densidad de potencia a potencia disponible Los mensajes ms importantes del grfico Velocidad de conexin Velocidad de corte 3.6 Curva de potencia de un aerogenerador Incertidumbre en mediciones de curvas de potencia Verificacin de las curvas de potencia Riesgos en el uso de las curvas de potencia 3.7 Coeficiente de potencia Una mayor eficiencia tcnica no es necesariamente el camino a seguir 3.8 Energa anual disponible en un aerogenerador La salida vara casi con el cubo de la velocidad del viento El factor de carga La paradoja del factor de carga 4.-COMO FUNCIONA UN AEROGENERADOR-INFLUENCIA EN LOS COMPONENTES 4.1 Componentes de un aerogenerador 4.2 Aerodinmica en aerogeneradores Qu es lo que hace que el rotor gire? Sustentacin 4.3 Aerodinmica de los aerogeneradores: prdida de sustentacin y resistencia aerodinmica Prdida de sustentacin Resistencia aerodinmica 4.4 Aerodinmica de los aerogeneradores Suma de velocidades y direcciones del viento (velocidades del viento) 4.5 Aerodinmica del rotor Por qu estn torsionadas las palas del rotor? 4.6 Palas del rotor Cambiar la velocidad del viento cambia la direccin del viento relativa a pala del rotor Perfiles de la pala del rotor (secciones transversales) Materiales de la pala del rotor 4.7 Control de potencia en aerogeneradores Aerogeneradores de regulacin por cambio del ngulo de paso ("pitch controlled") Aerogeneradores de regulacin por prdida aerodinmica ("stall controlled") Aerogeneradores de regulacin activa por prdida aerodinmica Otros mtodos de control de potencia 4.8 Mecanismo de orientacin Error de orientacin Mecanismo de orientacin Contador de la torsin de los cables 4.9 Torres de aerogeneradores Torres tubulares de acero Torres de celosa Torres de mstil tensado con vientos Soluciones de torres hbridas Consideraciones de coste Consideraciones aerodinmicas Consideraciones de dinmica estructural Eleccin entre torres altas y bajas Consideraciones sobre seguridad en el trabajo 4.10 Tamao de aerogeneradores La potencia producida aumenta con el rea de barrido del rotor Razones para elegir grandes turbinas Razones para elegir turbinas ms pequeas 5.-GENERADORES 5.1 Generadores de turbinas elicas Voltaje generado (tensin)

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Sistema de refrigeracin Arranque y parada del generador Opciones de diseo en generadores y conexin a red 5.2 Generadores sncronos Principios de un generador trifsico (o motor) Operacin de un motor sncrono Operacin de un generador sncrono Turbinas elicas con generadores sncronos 5.3 Cambio de la velocidad de giro del generador Un generador tetrapolar Otros nmeros de polos Velocidades de un generador sncrono (rpm) Generadores de baja o alta velocidad? 5.4 Generadores asncronos (o de induccin) El rotor de jaula Funcionamiento como motor Funcionamiento como generador Deslizamiento del generador Ajuste automtico de los polos del rotor Requerimientos de conexin a la red 5.5 Cambio del nmero de polos del generador Generador de nmero de polos variable, dos velocidades 5.6 Generadores de deslizamiento variable para turbinas elicas Opti Slip Funcionamiento a velocidad variable de una turbina de regulacin por cambio del ngulo de paso ("pitch controlled") Mejora de la calidad de potencia Generacin de corriente alterna (CA) a frecuencia variable Conversin a corriente continua (CC) Conversin a corriente alterna de frecuencia fija Filtrado de la corriente alterna Ventajas de la conexin indirecta a red: velocidad variable Desventajas de la conexin indirecta a red 5.7 Cajas multiplicadoras para aerogeneradores Por qu utilizar una caja multiplicadora? Menos par torsor, ms velocidad 5.8 El controlador electrnico de la turbina elica Comunicacin con el mundo exterior Comunicaciones internas Mecanismos de autoproteccin y redundancia Qu est monitorizado? Estrategias de control 5.9 Control de la calidad de potencia en aerogeneradores Conexin a la red y calidad de potencia Control de la potencia reactiva Compatibilidad electromagntica ("EMC") 6.-DISEO DE AEROGENERADORES 6.1 Diseo de aerogeneradores: consideraciones bsicas de carga Cargas extremas (fuerzas) Cargas de fatiga (fuerzas) Dinmica estructural: un ejemplo 6.2 Aerogeneradores: Mquinas de eje horizontal o vertical? Aerogeneradores de eje horizontal Aerogeneradores de eje vertical 6.3 Aerogeneradores: con rotor a barlovento o a sotavento? Mquinas con rotor a barlovento Mquinas con rotor a sotavento 6.4 Aerogeneradores: Cuntas palas? Por qu no un nmero par de palas? El concepto tripala dans Concepto bipala (oscilante/basculante) Concepto monopala 6.5 Optimizacin de aerogeneradores Optimizacin y economa Relativo al generador y al tamao del rotor Alturas de la torre 6.6 Diseo para un bajo ruido mecnico en aerogeneradores Fuentes mecnicas de emisin sonora Multiplicadores de aerogeneradores silenciosos Anlisis de dinmica estructural Aislamiento acstico 6.7 Diseo para un bajo ruido aerodinmico en aerogeneradores Fuentes aerodinmicas de emisin sonora Emisin acstica de una pala y la ley de la quinta potencia Diseo en punta de pala Bsqueda de palas ms silenciosas

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7.-AEROGENERADORES, MEDIOAMBIENTE INTERRELACION CON EL MANTENIMIENTO 7.1 Los aerogeneradores y el medio ambiente: paisaje Consejos sobre arquitectura paisajstica y aerogeneradores Disposiciones geomtricas simples Pintura gris claro Tamao de los aerogeneradores Percepcin de la gente de los aerogeneradores en el paisaje 7.2 Visualizacin 3-D del balizamiento en aerogeneradores Cmo deben sealizarse los aerogeneradores? Por qu una visualizacin 3D? El caso de Nysted 7.3 Sonido en aerogeneradores Hoy en da el ruido es un problema secundario Plan de instalacin de un aerogenerador respecto al sonido Ruido de fondo: el ruido enmascarado ahoga el ruido de la turbina La influencia de los alrededores en la propagacin del sonido La percepcin humana del sonido y del ruido 7.4 Medicin y clculo de los niveles de sonido La escala dB(A) Propagacin del sonido y distancia: ley del inverso de cuadrado de la distancia Suma de sonidos de diversas fuentes La penalizacin del tono puro Informacin sobre el ruido de aerogeneradores en la prctica Lmites legales de ruido La prctica habitual: clculos en lugar de mediciones 7.5 Periodo de restitucin de la energa en aerogeneradores Son necesarios dos o tres meses Mtodo de anlisis input-output El balance de energa en los aerogeneradores marinos Anlisis de las turbinas de 1980 7.6 Aves y aerogeneradores 7.7 Aves y aerogeneradores marinos Ocho estudios diferentes Disminucin de la poblacin Menos alimento Distancia segura 7.8 Sombra proyectada por los aerogeneradores Pocas reglas Prediccin del parpadeo de la sombra 8.-LA RED ELECTRICA 8.1 Aerogeneradores en la red elctrica: Variaciones en la energa elica Produccin de energa durante una clida semana veraniega El viento se ajusta a los patrones de consumo diario de electricidad 8.2 Variacin estacional en la energa elica El viento se ajusta a las tendencias de consumo estacional de electricidad Variaciones anuales en la energa elica 8.3 Cuestiones de aerogeneradores y de calidad de potencia Calidad de potencia Arrancar (y parar) una turbina Arranque suave con tiristores Redes dbiles, refuerzo de red Flicker Evitar el "islanding" 8.4 Parques elicos marinos conectados a red La red elctrica Cableado Tensiones Potencia reactiva, "HVDC" Vigilancia remota 9.- ACCIONES PARA EL MANTENIMIENTO DE UN AEROGENERADOR 9.1 Preventivo 9.2 Mantenimiento tras su instalacin Permanente 9.3 Las partes principales del aerogenerador a la hora de realizar las inspecciones de Mantenimiento: Rodamientos Tornillera Cableado Hlices Amortiguador Engrase 10.- BIBLIOGRAFIA UTILIZADA

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1.- HISTORIA DE LA ENERGA ELICA. La energa elica es uno de los recursos energticos ms antiguos, explotados por el hombre. Aunque no se sabe a ciencia cierta a cuando se remonta el empleo de molinos de viento para moler grano, se sabe que los egipcios ya lo usaban 3,600 aos a.C. y los chinos lo utilizaron hace ms de 2,000 aos. Hammurabi, seor de Babilonia en el S.XVII a.C., planeaba utilizarlos para bombear agua en un ambiciosos programa de regado. Todava hoy, y como hace milenios se sigue usando la brisa suave para separar la paja y la cscara de los granos de cereal. Otro antiguo modo de utilizacin del viento fue para la climatizacin de viviendas. En ciertas zonas de Irn, por ejemplo, se construan unas chimeneas de toma de aire que daban a las casas cierta refrigeracin, agua fra incluso hielo en los calurosos meses de verano. Por otro lado, la fuerza del viento ha sido la nica que el hombre ha utilizado para navegar hasta hace poco ms de un siglo, y es probable que vuelva a desempear un papel importante tanto en el trasporte de mercancas como en el de viajeros debido al constante encarecimiento de los crudos En el siglo X operan ya los primeros molinos de eje Horizontal en Oriente, desarrollndose constantemente a lo largo de los siglos. Medios de frenar y recoger las velas, mejora en los engranajes y en la transmisin de potencia, convirtieron el molino de viento, junto con el de agua, en uno de los ejes de la economa medieval. Una de las innovaciones ms ingeniosas fue la veleta de cola. Antes de su invencin, la difcil y peligrosa tarea de mantener las velas orientadas al viento tena que hacerse a mano. En el S.XIV, los holandeses desarrollaron en gran manera la tcnica de los aeromotores, para drenar las zonas hmedas. El tipo de molino mediterrneo, que con pocas variaciones encontramos en las Baleares y en las islas griegas, es de diseo ms simple que el europeo, pero perfectamente adaptado a su funcin. An hoy en da, en Lassithi -el Valle de los Molinos-, en Creta, pueden verse unos cuantos cientos de ellos en funcionamiento. Con la llegada del uso generalizado del petrleo se abandona el viento como fuente energtica. El inters por los molinos persiste tan slo en los periodos de guerra, cuando el suministro de crudo escasea. Pero con la actual crisis energtica, numerosos pases han reemprendido el estudio y el aprovechamiento de la energa elica, y construyen desde pequeos aparatos de usos domestico hasta centrales de gran potencia. En general la tecnologa de las maquinas movidas por el viento se desarrolla en tres direcciones: Aerogeneradores conectados a la red de distribucin elctrica, los molinos por el bombeo de agua y los pequeos aerogeneradores.

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RECURSOS EOLICOS De dnde viene la energa elica? Todas las fuentes de energa renovables (excepto la mareomotriz y la geotrmica), e incluso la energa de los combustibles fsiles, provienen, en ltimo trmino, del sol. El sol irradia 174.423.000.000.000 Kwh. de energa por hora hacia la Tierra. En otras palabras, la Tierra recibe 1,74 x 10 17 W de potencia. Alrededor de un 1 a un 2 por ciento de la energa proveniente del sol es convertida en energa elica. Esto supone una energa alrededor de 50 a 100 veces superior a la convertida en biomasa por todas las plantas de la tierra. Las diferencias de temperatura conllevan la circulacin de aire

Las regiones alrededor del ecuador, a 0 de latitud, son calentadas por el sol ms que las zonas del resto del globo. El aire caliente es ms ligero que el aire fro, por lo que subir hasta alcanzar una altura aproximada de 10 Km. y se extender hacia el norte y hacia el sur. Si el globo no rotase, el aire simplemente llegara 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 rea de 1.27 x 10 14 m 2. La potencia emitida a la Tierra es, por tanto, de 1.74 x 10 17 W. 2) En promedio, la produccin primaria neta de las plantas est alrededor de 4.95 x 10 6 caloras por metro cuadrado y por ao. Esto la produccin primaria neta global, es decir, la cantidad de energa disponible en todos los posteriores eslabones de la cadena alimenticia/energtica. El rea de la superficie de la Tierra es de 5.09 x 10 14 m 2. As 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 conversin entre las unidades energticas caloras y Julios en el manual de referencia

La fuerza de Coriolis Debido a la rotacin del globo, cualquier movimiento en el hemisferio norte es desviado hacia la derecha, si se mira desde nuestra posicin 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 matemtico francs Gustave Gaspard Coriolis 17921843). Puede no resultarle obvio que una partcula movindose en el hemisferio norte sea desviada hacia la derecha. La fuerza de Coriolis es un fenmeno visible. Las vas del ferrocarril se desgastan ms rpidamente de un lado que del otro. Las cuencas de los ros estn excavadas ms profundamente en una cara que en la otra (de cual se trate depende en qu hemisferio nos encontremos: en el hemisferio norte las partculas 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 rea de bajas presiones. En el hemisferio sur el viento gira en el sentido de las agujas del reloj alrededor de reas de bajas presiones. En el apartado siguiente veremos como la fuerza de Coriolis afecta a las direcciones del viento en el globo.

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Cmo 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 ms altas de la atmsfera. Alrededor de los 30 de latitud en ambos hemisferios la fuerza de Coriolis evita que el viento se desplace ms all. En esa latitud se encuentra un rea de altas presiones, por lo que el aire empieza a descender de nuevo. Cuando el viento suba desde el ecuador habr un rea de bajas presiones cerca del nivel del suelo atrayendo los vientos del norte y del sur. En los polos, habr altas presiones debido al aire fro. Teniendo en mente la fuerza de curvatura de la fuerza de Coriolis, obtenemos los siguientes resultados generales de las direcciones del viento dominantes: Direcciones de viento dominantes Latitud 90-60N 60-30N 30-0N 0-30S Direccin NE SO NE SE 30-60S NO 60-90S SE

El espesor de la atmsfera est exagerado en el dibujo de arriba (hecho a partir de una fotografa tomada desde el satlite de la NASA GOES-8). Realmente la atmsfera tiene un espesor de slo 10 Km., lo que representa 1/1200 del dimetro del globo. Esta parte de la atmsfera, conocida con el nombre de troposfera, es donde ocurren todos los fenmenos meteorolgicos (y tambin 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 mnimo nmero de obstculos posibles para las direcciones dominantes del viento. Sin embargo la geografa local puede influenciar en los resultados de la tabla anterior (ver pginas siguientes).

La atmsfera (Troposfera) La atmsfera es una capa muy fina alrededor del globo. El globo tiene un dimetro de 12.000 Km. La troposfera, que se extiende hasta los 11 Km. de altitud, es donde tienen lugar todos los fenmenos meteorolgicos y el efecto invernadero. En el dibujo puede verse una extensin 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 dimetro, la atmsfera slo tendra un espesor de 1 mm. El viento geostrfico Los vientos que han sido considerados en las pginas precedentes como vientos globales son en realidad los vientos geostrficos. Los vientos geostrficos son generados, principalmente, por las diferencias de temperatura, as como por las de presin, y apenas son influenciados por la superficie de la tierra. Los vientos geostrficos se encuentran a una altura de 1.000 metros a partir del nivel del suelo. La velocidad de los vientos geostrficos puede ser medida utilizando globos sonda. Vientos de superficie Los vientos estn mucho ms 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 obstculos, como veremos seguidamente. Las direcciones del viento cerca de la superficie sern ligeramente diferentes de las de los vientos geostrficos debido a la rotacin de la tierra (ver fuerza de Coriolis).

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Tratndose de energa elica interesar conocer los vientos de superficie y cmo calcular la energa aprovechable del viento. Vientos locales: brisas marinas Aunque los vientos globales son importantes en la determinacin de los vientos dominantes de un rea determinada, las condiciones climticas locales pueden influir en las direcciones de viento ms comunes. Los vientos locales siempre se superponen en los sistemas elicos a gran escala, esto es, la direccin 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 regmenes de viento. Brisas marinas Durante el da la tierra se calienta ms rpidamente que el mar por efecto del sol. El aire sube, circula hacia el mar, y crea una depresin a nivel del suelo que atrae el aire fro 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 ms pequea. El conocido monzn del sureste asitico es en realidad un forma a gran escala de la brisa marina y la brisa terrestre, variando su direccin segn la estacin, debido a que la tierra se calienta o enfra ms rpidamente que el mar. Un ejemplo es el viento del valle que se origina en las laderas que dan al sur ( en las que dan al norte en el hemisferio sur). Cuando las laderas y el aire prximo a ellas estn calientes la densidad del aire disminuye, y el aire asciende hasta la cima siguiendo la superficie de la ladera. Durante la noche la direccin del viento se invierte, convirtindose en un viento que fluye ladera abajo. Si el fondo del valle est inclinado, el aire puede ascender y descender por el valle; este efecto es conocido como viento de can. 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 Montaas 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 Mediterrneo, y el Sirocco, un viento del sur proveniente del Sahara que sopla hacia el Mar Mediterrneo. La energa en el viento: densidad del aire y rea 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 energa transferida al rotor por el viento depende de la densidad del aire, del rea de barrido del rotor y de la velocidad del viento La imagen muestra cmo una porcin cilndrica de aire de 1 metro de espesor pasa a travs del rotor de un aerogenerador tpico de 1.000 kW. Con un rotor de 54 metros de dimetro cada cilindro pesa realmente 2,8 toneladas, es decir, 2.300 veces 1,225 kg. Densidad del aire La energa cintica de un cuerpo en movimiento es proporcional a su masa (o peso). As, la energa cintica del viento depende de la densidad del aire, es decir, de su masa por unidad de volumen. En otras palabras, cuanto "ms pesado" sea el aire ms energa recibir la turbina. A presin atmosfrica normal y a 15 C el aire pesa unos 1,225 kilogramos por metro cbico, aunque la densidad disminuye ligeramente con el aumento de la humedad.

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Adems, el aire es ms denso cuando hace fro que cuando hace calor. A grandes altitudes (en las montaas) la presin del aire es ms baja y el aire es menos denso. rea de barrido del rotor Un aerogenerador tpico de 1.000 kW tiene un dimetro del rotor de 54 metros, lo que supone un rea del rotor de unos 2.300 metros cuadrados. El rea del rotor determina cuanta energa del viento es capaz de capturar una turbina elica. Dado que el rea del rotor aumenta con el cuadrado del dimetro del rotor, una turbina que sea dos veces ms grande recibir 2 2 = 2 x 2 = cuatro veces ms energa. La pgina sobre tamao de los aerogeneradores le proporcionar ms detalles. Los aerogeneradores desvan el viento La imagen de arriba sobre la energa en el viento est algo simplificada. En realidad, un aerogenerador desviar el viento antes incluso de que el viento llegue al plano del rotor. Esto significa que nunca seremos capaces de capturar toda la energa que hay en el viento utilizando un aerogenerador. Discutiremos esto ms tarde, cuando hablemos de la ley de Betz. En la imagen de la pagina anterior tenemos el viento que viene desde la derecha y usamos un mecanismo para capturar parte de la energa cintica que posee el viento (en este caso usamos un rotor de tres palas, aunque podra haberse tratado de cualquier otro mecanismo). El tubo de corriente El rotor de la turbina elica debe obviamente frenar el viento cuando captura su energa cintica y la convierte en energa rotacional. Esto implica que el viento se mover ms lentamente en la parte izquierda del rotor que en la parte derecha. Dado que la cantidad de aire que pasa a travs del rea barrida por el rotor desde la derecha (por segundo) debe ser igual a la que abandona el rea del rotor por la izquierda, el aire ocupar una mayor seccin transversal (dimetro) detrs 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 elica. El tubo de corriente muestra cmo el viento movindose lentamente hacia la izquierda ocupar un gran volumen en la parte posterior del rotor. El viento no ser frenado hasta su velocidad final inmediatamente detrs del plano del rotor. La ralentizacin se producir gradualmente en la parte posterior del rotor hasta que la velocidad llegue a ser prcticamente constante. Distribucin de la presin del aire en la parte delantera y trasera del rotor El grfico de la izquierda muestra la presin 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 grfico. La presin del aire aumenta gradualmente a medida que el viento se acerca al rotor desde la derecha, ya que el rotor acta de barrera del viento. Observe que la presin del aire caer inmediatamente detrs del plano del rotor (parte izquierda), para enseguida aumentar de forma gradual hasta el nivel de presin normal en el rea. Qu ocurre corriente abajo? Corriente abajo, la turbulencia del viento provocar que el viento lento de detrs del rotor se mezcle con el viento ms rpido del rea circundante. Por lo tanto, el abrigo del viento disminuir gradualmente tras el rotor conforme nos alejamos de la turbina. Veremos esto ms ampliamente en la pgina sobre el efecto del parque.

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Por qu no un tubo de corriente cilndrico? Ahora usted podra objetar que una turbina girara incluso situndola dentro de un tubo cilndrico normal, como el que se muestra abajo. Por qu insistimos entonces en que el tubo de corriente tiene forma de botella? Por supuesto, es cierto pensar que el rotor de una turbina podra girar si lo situsemos 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 algn obstculo 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 presin del aire en el extremo derecho del tubo). Por tanto, el tubo cilndrico no es una representacin muy exacta de lo que ocurre cuando el viento encuentra una turbina elica, por lo que la imagen del principio de la pgina es la correcta. La potencia del viento: cubo de la velocidad del viento La velocidad del viento es muy importante para la cantidad de energa que un aerogenerador puede transformar en electricidad: la cantidad de energa que posee el viento vara con el cubo (la tercera potencia) de la velocidad media del viento; p.ej., si la velocidad del viento se duplica la cantidad de energa que contenga ser 2 3 = 2 x 2 x 2 = ocho veces mayor. Ahora bien, por qu la energa que contiene el viento vara con la tercera potencia de su velocidad? Seguramente, del saber de cada da, usted estar enterado de que al doblar la velocidad de un coche la energa de frenado para pararlo completamente ser cuatro veces mayor (se trata bsicamente de la segunda ley de Newton de la cinemtica). En el caso de turbinas elicas usamos la energa de frenado del viento, por lo que si doblamos la velocidad del viento tendremos dos veces ms porciones cilndricas de viento movindose a travs del rotor cada segundo, y cada una de esas porciones contiene cuatro veces ms energa, como se ha visto en el ejemplo del frenado de un coche. El grfico muestra que con una velocidad del viento de 8 metros por segundo obtenemos una potencia (cantidad de energa por segundo) de 314 W por cada metro cuadrado expuesto al viento (viento incidiendo perpendicularmente al rea 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 seccin manual de referencia proporciona la potencia por metro cuadrado de superficie expuesta al viento para diferentes velocidades del viento.

Potencia de la frmula del viento La potencia del viento que pasa perpendicularmente a travs de un rea 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 cbico, a la presin atmosfrica 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 dimetro) del rotor medido en m (metros).

Medicin de la velocidad del viento: anemmetros

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Las mediciones de las velocidades del viento se realizan normalmente usando un anemmetro de cazoletas, similar al del dibujo de la izquierda. El anemmetro de cazoletas tiene un eje vertical y tres cazoletas que capturan el viento. El nmero de revoluciones por segundo son registradas electrnicamente Normalmente, el anemmetro est provisto de una veleta para detectar la direccin del viento. En lugar de cazoletas el anemmetro puede estar equipado con hlices, aunque no es lo habitual. Otros tipos de anemmetros incluyen ultrasonidos o anemmetros provistos de lser que detectan el desfase del sonido o la luz coherente reflejada por las molculas de aire. Los anemmetros de hilo electro-calentado detectan la velocidad del viento mediante pequeas diferencias de temperatura entre los cables situados en el viento y en la sombra del viento (cara a sotavento). La ventaja de los anemmetros no mecnicos es que son menos sensibles a la formacin de hielo. Sin embargo en la prctica los anemmetros de cazoletas son ampliamente utilizados, y modelos especiales con ejes y cazoletas elctricamente calentados pueden ser usados en las zonas rticas. Los anemmetros de calidad son una necesidad para las mediciones de energa elica Cuando compra algo, a menudo obtendr un producto acorde a lo que ha pagado por l. Esto tambin se aplica a los anemmetros. Se pueden comprar anemmetros sorprendentemente baratos de algunos de los principales vendedores del mercado que, cuando realmente no se necesita una gran precisin, pueden ser adecuados para aplicaciones meteorolgicas, y lo son tambin para ser montados sobre aerogeneradores. *) Sin embargo, los anemmetros econmicos no resultan de utilidad en las mediciones de la velocidad de viento que se llevan a cabo en la industria elica, dado que pueden ser muy imprecisos y estar pobremente calibrados, con errores en la medicin de quizs el 5 por ciento, e incluso del 10 por ciento. Si est pensando construir un parque elico puede resultar un desastre econmico si dispone de un anemmetro que mide las velocidades de viento con un error del 10%. En ese caso, se expone a contar con un contenido energtico del viento que es 1,1 3 -1=33% ms 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 podr incluso multiplicarse por un factor del 1,3, con lo que sus clculos de energa acabarn con un error del 75%. Se puede comprar un anemmetro profesional y bien calibrado, con un error de medicin alrededor del 1%, por unos 700-900 dlares americanos, lo que no es nada comparado con el riesgo de cometer un error econmico potencialmente desastroso. Naturalmente, el precio puede no resultar siempre un indicador fiable de la calidad, por lo que deber informarse de cules son los institutos de investigacin en energa elica bien reputados y pedirles consejo en la compra de anemmetros.

Mediciones de la velocidad del viento en la prctica

La mejor forma de medir la velocidad del viento en una futura localizacin de una turbina elica es situar un anemmetro en el extremo superior de un mstil 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 anemmetro en la parte superior del mstil se minimizan las perturbaciones de las corrientes de aire creadas por el propio mstil. Si el anemmetro est situado en la parte lateral del mstil es fundamental enfocarlos en la direccin de viento dominante para minimizar el abrigo del viento de la torre

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Qu mstil elegir? Para evitar el abrigo de viento, en lugar de utilizar torres de celosa, normalmente se utilizan postes cilndricos delgados, tensados con vientos, en los que se colocan los mecanismos de medicin del viento. Los postes son suministrados en kits de fcil ensamblaje, por lo que usted puede instalar un mstil para mediciones de viento en la altura del buje de una (futura) turbina sin necesidad de una gra. El anemmetro, el poste y el registrador de datos (que veremos a continuacin) suele costar alrededor de 5.000 dlares americanos. El registrador de datos ('data logger') Los datos de las velocidades y direcciones del viento obtenidos por el anemmetro son recogidos en un chip electrnico en una pequea computadora, el registrador de datos ('data logger'), que puede funcionar con batera durante un largo perodo de tiempo. La fotografa 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 virgen que recoja los datos del mes siguiente (cuidado: el error ms comn de la gente que realiza mediciones de viento es mezclar los chips y volver de nuevo con el chip virgen).

Condiciones rticas Si hay muchas lluvias heladas en la zona o escarcha en las montaas, puede necesitar un anemmetro calentado, que requiere una conexin a la red elctrica 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 mayora de programas estndar (y con la bibliografa 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 ver posteriormente La rosa de los vientos Observara que los fuertes vientos suelen venir de una direccin determinada, tal y como se vio en la seccin recursos elicos. Para mostrar la informacin sobre las distribuciones de velocidades del viento y la frecuencia de variacin de las direcciones del viento, puede dibujarse la llamada rosa de los vientos basndose en observaciones meteorolgicas de las velocidades y direcciones del viento. En la imagen se muestra la rosa de los vientos de Brest, en la costa Atlntica de Francia. Hemos dividido la rosa en doce sectores, abarcando cada uno 30 del horizonte (tambin puede dividirse en 8 16 sectores, aunque 12 es el nmero de sectores que el Atlas Elico Europeo, del cul ha sido tomada esta imagen, suele utilizar como estndar). El radio de las cuas amplias (las ms exteriores) proporciona la frecuencia relativa de cada una de las doce direcciones del viento, es decir, qu tanto por ciento del tiempo el viento sopla desde esa direccin.

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La segunda cua da la misma informacin pero multiplicada por la media de la velocidad del viento en cada direccin particular. El resultado se normaliza sumando hasta el 100 por cien. Esto indica la contribucin de cada sector en la velocidad media del viento en nuestra ubicacin particular. La cua ms interior (en rojo) proporciona la misma informacin que la primera pero multiplicada por el cubo de la velocidad del viento en cada ubicacin. El resultado se normaliza sumando hasta el 100 por cien. Esto indica la contribucin de cada sector en la energa contenida en el viento en nuestra ubicacin particular. Recuerde que el contenido energtico del viento vara con el cubo de la velocidad del viento, tal y como se expuso en la pgina sobre la energa en el viento. Por tanto, las cuas rojas son en realidad las ms interesantes. Indican donde encontrar una mayor potencia que impulse nuestros aerogeneradores. En este caso podemos ver que la direccin de viento dominante es la Sudoeste, tal y como habramos predicho en la pgina vientos globales. Una rosa de los vientos proporciona informacin sobre las velocidades relativas del viento en diferentes direcciones, es decir, cada uno de los tres grupos de datos ha sido multiplicado por un nmero que asegura que la cua ms larga del grupo mide exactamente lo mismo que el radio del crculo ms exterior del diagrama. Variabilidad de las rosas de los vientos Las rosas de los vientos varan de un lugar a otro. Son en realidad una especie de huella meteorolgica. Por ejemplo, eche un vistazo a esta rosa de los vientos de Caen (Francia) a tan slo 150 Km. (100 millas) al norte de Brest. Aunque la direccin del viento primaria es la misma (la Sudoeste) observar que prcticamente toda la energa 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 reas vecinas son a menudo similares, por lo que en la prctica la interpolacin (hallando una media) de las rosas de los vientos de las reas circundantes puede dar resultados seguros. Pero si el terreno es complejo, por ejemplo en montaas y valles que recorren diferentes direcciones, o litorales orientados en direcciones diferentes, no es seguro en general adoptar este tipo de suposiciones. Haciendo hincapi una vez ms, la rosa de los vientos slo indica la distribucin relativa de las direcciones del viento, y no el nivel real de la velocidad media del viento. Cmo utilizar una rosa de los vientos Un vistazo a la rosa de los vientos es extremadamente til para situar aerogeneradores. Si una gran parte de la energa del viento viene de una direccin particular, lo que desear, cuando coloque una turbina elica en el paisaje, ser tener la menor cantidad de obstculos posibles en esa direccin, as como un terreno lo ms liso posible. En los ejemplos vistos anteriormente la mayor parte de la energa viene del Sudoeste, por lo que no necesitaramos preocuparnos de los obstculos al este y al sudeste del aerogenerador, ya que apenas llegara nada de energa desde esas direcciones. Sin embargo los modelos elicos pueden variar de un ao a otro, as como el contenido energtico (normalmente alrededor de un 10 por ciento). Por lo tanto, lo ms conveniente es tener observaciones de varios aos para poder obtener una media fidedigna. Los proyectistas de grandes parque elicos cuentan normalmente con un ao de medidas locales y utilizan observaciones meteorolgicas a largo plazo de las estaciones climticas cercanas para ajustar sus medidas y obtener as una media a largo plazo fiable. Dado que esta rosa de los vientos ha sido tomada del Atlas Elico Europeo estamos razonablemente seguros de que podemos fiarnos de ella. El Atlas Elico 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 pgina sobre la seleccin del emplazamiento de un aerogenerador volvemos al tema de los riesgos en el uso de los datos meteorolgicos.

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EMPLAZAMIENTO Rugosidad y cizallamiento del viento A una gran altura de la superficie del suelo, alrededor de un kilmetro, la superficie terrestre apenas ejerce influencia alguna sobre el viento. Sin embargo, en las capas ms bajas de la atmsfera, las velocidades del viento se ven afectadas por la friccin con la superficie terrestre. En la industria elica se distingue entre rugosidad del terreno, la influencia de los obstculos, y la influencia del contorno del terreno, tambin llamada orografa del rea. Trataremos de la orografa cuando investigamos los llamados efectos aceleradores, a saber, el efecto tnel y el efecto de la colina. Rugosidad En general, cuanto ms pronunciada sea la rugosidad del terreno mayor ser la ralentizacin que experimente el viento. Obviamente, los bosques y las grandes ciudades ralentizan mucho el viento, mientras que las pistas de hormign de los aeropuertos slo lo ralentizan ligeramente. Las superficies de agua son incluso ms lisas que las pistas de hormign, y tendrn 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 elica, la gente suele referirse a clase de rugosidad o longitud de rugosidad cuando se trata de evaluar las condiciones elicas de un paisaje. Una alta rugosidad de clase 3 4 se refiere a un paisaje con muchos rboles y edificios, mientras que a la superficie del mar le corresponde una rugosidad de clase 0. Las pistas de hormign de los aeropuertos pertenecen a la clase de rugosidad 0.5, al igual que el paisaje abierto y llano pacido por las ovejas (fotografa de la izquierda). La definicin exacta de clase de rugosidad y longitud de rugosidad puede ser encontrada en el manual de referencia. El trmino longitud de rugosidad es en realidad la distancia sobre el nivel del suelo a la que tericamente la velocidad del viento debera ser nula. Cizallamiento del viento y escarpas

La fotografa area de arriba muestra un buen emplazamiento para aerogeneradores a lo largo de una lnea de costa con las turbinas sobre un acantilado que est a una altura aproximada de 10 metros. Es un error habitual creer que en este caso se puede aadir la altura del acantilado a la altura de la torre del aerogenerador para obtener su altura efectiva, cuando se hacen clculos de velocidades de viento, al menos cuando el viento viene del mar. Evidentemente esto no se puede hacer. El acantilado de la fotografa crear turbulencia, y frenar el viento antes incluso de que llegue al acantilado. Por lo tanto, no es una buena idea desplazar las turbinas ms cerca del acantilado. Muy probablemente esto implicara una produccin de energa menor, y reducira el tiempo de vida de las turbinas, debido a una mayor rotura y desgaste provocadas por la turbulencia.

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Si tenamos eleccin, 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 podramos experimentar un efecto acelerador, como ms tarde explicaremos al llegar a la pgina 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 situar el aerogenerador, pueden hacerse predicciones muy exactas de la produccin de energa. Sin embargo, a menudo deben recalcularse mediciones del viento hechas en un lugar fuera de la zona considerada. En la prctica esto puede hacerse con una gran exactitud, excepto en zonas de terreno muy complejo (p.ej. terrenos accidentados y muy montaosos). As como usamos una rosa de los vientos para trazar el mapa de la cantidad de energa 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 elica. Normalmente, la rosa se divide en 12 sectores de 30 cada uno, como en el dibujo de la izquierda, aunque tambin son posibles otras divisiones. En cualquier caso, debern ser las mismas que las que tengamos en nuestra rosa de los vientos. Para cada sector hacemos una estimacin de la rugosidad utilizando las definiciones de la seccin manual de referencia. En principio, con esto ya podra utilizarse el programa de clculo de la velocidad del viento de la pgina anterior para estimar como cambia la velocidad media del viento en cada sector debido a las diferentes rugosidades del terreno. Obtencin de la rugosidad media en cada sector Sin embargo, en la mayora de los casos, la rugosidad no caer 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 un mapa para medir a que distancia tendremos una rugosidad invariable.

Representacin 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 kilmetros ms all se encuentra una isla arbolada. Si el oeste es una direccin de viento importante, deberemos representar los cambios de clase de rugosidad de 1 a 0 y de 0 a 3. Representacin de los obstculos del viento Es muy importante representar los obstculos del viento locales en la direccin de viento dominante cerca de la turbina (a menos de 700 m) si se quieren hacer predicciones exactas sobre produccin de energa. Insistiremos sobre este tema en un par de pginas. Variabilidad de la velocidad del viento Variabilidad del viento a corto plazo La velocidad del viento est siempre fluctuando, por lo que el contenido energtico del viento vara continuamente. De qu magnitud sea exactamente esa fluctuacin depende tanto de las condiciones climticas como de las condiciones de superficie locales y de los obstculos.

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La produccin de energa de una turbina elica variar conforme vare el viento, aunque las variaciones ms rpidas sern hasta cierto punto compensadas por la inercia del rotor de la turbina elica. Variaciones diurnas (noche y da) del viento En la mayora localizaciones del planeta el viento sopla ms fuerte durante el da que durante la noche. El grfico de la izquierda muestra, en intervalos de 3 horas, como vara la velocidad del viento a lo largo del da en Beldringe (Dinamarca) (informacin obtenida del Atlas Elico Europeo). Esta variacin se debe sobretodo a que las diferencias de temperatura, p.ej. entre la superficie del mar y la superficie terrestre, son mayores durante el da que durante la noche. El viento presenta tambin ms turbulencias y tiende a cambiar de direccin ms rpidamente durante el da que durante la noche. Desde el punto de vista de los propietarios de aerogeneradores, el hecho de que la mayor parte de la energa elica se produzca durante el da es una ventaja, ya que el consumo de energa entonces es mayor que durante la noche. Muchas compaas elctricas pagan ms 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 seccin aerogeneradores en la red elctrica. Turbulencia Seguramente ya habr observado que las tormentas suelen venir asociadas a rfagas de viento que cambian tanto en velocidad como en direccin. En reas cuya superficie es muy accidentada y tras obstculos como edificios, tambin se producen muchas turbulencias, con flujos de aire muy irregulares, con remolinos y vrtices 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 grfica de la pgina anterior). Las turbulencias disminuyen la posibilidad de utilizar la energa del viento de forma efectiva en un aerogenerador. Tambin provocan mayores roturas y desgastes en la turbina elica, tal y como se explica en la seccin 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.

Obstculos al viento Esta imagen fue tomada en un emplazamiento elico de una zona costera, con el viento viniendo desde la parte derecha de la fotografa. Muestra un interesante fenmeno:

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Deberamos esperar realmente que el aerogenerador de la derecha (que est 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 arrancar a bajas velocidades de viento que, sin embargo, s que son suficientes para hacer que los otros dos generadores funcionen. El motivo es que el pequeo bosque que est enfrente de las turbinas resguarda, particularmente, la que est ms a la derecha. En este caso, la produccin anual de estos aerogeneradores se ver probablemente reducida en un 15 por ciento de media, e incluso ms en el caso de la turbina ms a la derecha. (Las turbinas estn separadas aproximadamente 5 dimetros de rotor, y el bosque est situado a la misma distancia de la primera turbina. La razn por la que parece que las turbinas estn tan cerca unas de otras es que el vdeo ha sido filmado a un 1,5 Km. de distancia, con el equivalente de una lente de 1200 mm para una cmara de 35 mm). Los obstculos del viento tales como edificios, rboles, formaciones rocosas, etc. pueden disminuir la velocidad del viento de forma significativa y a menudo crean turbulencias en torno a ellos. Como puede verse en este dibujo de tpicas corrientes de viento alrededor de un obstculo, la zona de turbulencias puede extenderse hasta una altura alrededor de 3 veces superior a la altura del obstculo. La turbulencia es ms acusada detrs del obstculo que delante de l. As pues, lo mejor es evitar grandes obstculos cerca de las turbinas elicas, y en particular si se encuentran en la parte donde sopla en viento dominante, es decir, "en frente de la turbina".

Resguardo tras los obstculos Los obstculos disminuirn la velocidad del viento corriente abajo del obstculo. Esta disminucin depende de la porosidad del obstculo, es decir, de cmo de "abierto" sea el obstculo (la porosidad se define como el rea libre dividida por el rea total del objeto de cara al viento). Obviamente un edificio es slido y no tiene porosidad mientras que un rbol completamente abierto en invierno (sin hojas) puede dejar pasar a su travs ms 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 obstculo produce aumenta con la altura y la longitud del mismo. Obviamente, el efecto ser ms pronunciado cerca del obstculo y cerca del suelo. Cuando los fabricantes y proyectistas calculan la produccin de energa de un aerogenerador, siempre tienen en cuenta los obstculos prximos a la turbina (a menos de un kilmetro en cualquiera de las direcciones ms importantes del viento).

Abrigo del viento

Este grfico le proporciona una estimacin de cmo disminuye el viento tras un obstculo romo, es decir, un obstculo que no es aerodinmico. 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 nmeros en azul indican la velocidad del viento en tanto por ciento de la velocidad del viento sin el obstculo. En la parte superior de la torre de aerogenerador amarillo la velocidad del viento ha disminuido en un 3 por ciento (hasta el 97 por ciento) de la velocidad del viento sin el obstculo. Observe que esto representa una prdida de energa del viento de alrededor del 10 por ciento, es decir 1,03 3 - 1, tal y como puede verse en la grfica de la parte inferior de esta pgina.

Efecto de la estela Dado que un aerogenerador produce energa a partir de la energa del viento, el viento que abandona la turbina debe tener un contenido energtico menor que el que llega a la turbina.

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Esto se deduce directamente del hecho de que la energa ni se crea ni se destruye. Si no lo encuentra lo suficientemente claro eche un vistazo a la definicin de energa del manual de referencia. Un aerogenerador siempre va a crear un abrigo en la direccin a favor del viento. De hecho, habr una estela tras la turbina, es decir, una larga cola de viento bastante turbulenta y ralentizada, si se compara con el viento que llega a la turbina (la expresin estela proviene, obviamente, de la estela que deja un barco tras de si). Realmente puede verse la estela tras un aerogenerador si se le aade humo al aire que va a pasar a travs de la turbina, tal y como se ha hecho en la imagen. (Esta turbina en particular fue diseada para girar en sentido contrario al de las agujas del reloj, algo inusual en los aerogeneradores modernos). En los parques elicos, para evitar una turbulencia excesiva corriente abajo alrededor de las turbinas, cada una de ellas suele estar separada del resto una distancia mnima equivalente a tres dimetros del rotor. En las direcciones de viento dominante esta separacin es incluso mayor, tal y como se explica en la pgina siguiente. El efecto del parque Tal y como se vio en la seccin anterior sobre el efecto de la estela, cada aerogenerador ralentizar el viento tras de s al obtener energa de l para convertirla en electricidad. Por tanto, lo ideal sera poder separar las turbinas lo mximo posible en la direccin de viento dominante. Pero por otra parte, el coste del terreno y de la conexin de los aerogeneradores a la red elctrica aconseja instalar las turbinas ms cerca unas de otras. Distribucin en planta del parque

Como norma general, la separacin entre aerogeneradores en un parque elico es de 5 a 9 dimetros de rotor en la direccin de los vientos dominantes, y de 3 a 5 dimetros de rotor en la direccin perpendicular a los vientos dominantes. En este dibujo se han situado 3 filas de cinco turbinas cada una siguiendo un modelo totalmente tpico. Las turbinas (los puntos blancos) estn separadas 7 dimetros en la direccin de viento dominante y 4 dimetros en la direccin perpendicular a la de los vientos dominantes. Prdida de energa debida al efecto del parque Conociendo el rotor de la turbina elica, la rosa de los vientos, la distribucin de Weibull y la rugosidad en las diferentes direcciones, los fabricantes o proyectistas pueden calcular la prdida de energa debida al apantallamiento entre aerogeneradores. La prdida de energa tpica es de alrededor del 5 por ciento.

Efectos aceleradores: efecto tnel Al utilizar un inflador de bicicleta corriente observar que el aire que sale por la boquilla se mueve mucho ms rpidamente que la velocidad a la que estamos bombeando. Por supuesto, la razn es que la boquilla es mucho ms estrecha que el cilindro del inflador.

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Efecto tnel Si toma un camino entre dos edificios altos o en un paso estrecho entre montaas observar que se da el mismo efecto: el aire se comprime en la parte de los edificios o de la montaa que est expuesta al viento, y su velocidad crece considerablemente entre los obstculos del viento. Esto es lo que se conoce como "efecto tnel". As pues, incluso si la velocidad normal del viento en un terreno abierto puede ser de, digamos, 6 metros por segundo, en un "tnel" natural puede fcilmente alcanzar los 9 metros por segundo. Situar un aerogenerador en un tnel de este tipo es una forma inteligente de obtener velocidades del viento superiores a las de las reas colindantes. Para obtener un buen efecto tnel el tnel debe estar "suavemente" enclavado en el paisaje. En el caso de que las colinas sean muy accidentadas, puede haber muchas turbulencias en esa rea, es decir, el viento soplar en muchas direcciones diferentes (y con cambios muy rpidos). Si hay muchas turbulencias, la ventaja que supone la mayor velocidad del viento se ver completamente anulada, y los cambios en el viento pueden causar roturas y desgastes innecesarios en el aerogenerador.

Efecto de la colina El viento atravesando las cimas de las montaas se hace veloz y denso, y cuando sopla fuera de ellas se vuelve ligero y lento, como el agua que sale de un canal estrecho y va a desembocar al mar. Leonardo da Vinci (14521519)

Una forma corriente de emplazar aerogeneradores es situndolos en colinas o estribaciones dominando el paisaje circundante. En particular, siempre supone una ventaja tener una vista lo ms amplia posible en la direccin del viento dominante en el rea. En las colinas, siempre se aprecian velocidades de viento superiores a las de las reas circundantes. Una vez ms, esto es debido a que el viento es comprimido en la parte de la montaa que da al viento, y una vez el aire alcanza la cima de la colina puede volver a expandirse al descender hacia la zona de bajas presiones por la ladera a sotavento de la colina. Tal y como puede observar en el dibujo, el viento empieza a inclinarse algn tiempo antes de alcanzar la colina, debido a que en realidad la zona de altas presiones se extiende hasta una distancia considerable enfrente de la colina. Tambin se dar cuenta de que el viento se hace muy irregular una vez pasa a travs del rotor del aerogenerador. Al igual que ocurra anteriormente, si la colina es escarpada o tiene una superficie accidentada, puede haber una cantidad de turbulencias significativa, que puede anular la ventaja que supone tener unas velocidades de viento mayores Seleccin del emplazamiento de un aerogenerador

Condiciones elicas Normalmente, el slo hecho de observar la naturaleza resulta de excelente ayuda a la hora de encontrar un emplazamiento apropiado para el aerogenerador. Los rboles y matorrales de la zona sern una buena pista para saber cual es la direccin de viento dominante, como puede verse en la fotografa de la izquierda Si nos movemos a lo largo de un litoral accidentado, observaremos que siglos de erosin han trabajado en una direccin en particular. Los datos meteorolgicos, obtenidos en forma de rosa de los vientos durante un plazo de 30 aos, sean probablemente su mejor gua, aunque rara vez estos datos son recogidos directamente en su emplazamiento, por lo que hay que ser muy prudente al utilizarlos, tal y como se ver en la prxima seccin.20 de 74

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Si ya existen aerogeneradores en esa rea, sus resultados de produccin son una excelente gua de las condiciones de viento locales. En pases como Dinamarca y Alemania, en los que a menudo se encuentra un gran nmero de aerogeneradores dispersos por el campo, los fabricantes pueden ofrecer resultados de produccin garantizados basndose en clculos elicos realizados en el emplazamiento. Buscar una perspectiva De lo que hemos aprendido en las pginas anteriores, nos gustara tener una vista lo ms amplia posible en la direccin de viento dominante, as como los mnimos obstculos y una rugosidad lo ms baja posible en dicha direccin. Si puede encontrar una colina redondeada para situar las turbinas, es posible incluso que consiga adems un efecto acelerador. Conexin a la red Obviamente, los grandes aerogeneradores tienen que ser conectados a la red elctrica. Para los proyectos de menores dimensiones es fundamental que haya una lnea de alta tensin de 10 - 30 kv relativamente cerca para que los costes de cableado no sean prohibitivamente altos (por supuesto, esto preocupa sobremanera a aquellos que tienen que pagar la extensin de la lnea de alta tensin). Los generadores de las grandes turbinas elicas modernas generalmente producen la electricidad a 690 V. Un transformador colocado cerca de la turbina o dentro de la torre de la turbina convierte la electricidad en alta tensin (normalmente hasta 10 - 30 kv). Refuerzo de red La red elctrica prxima al(a los) aerogenerador(es) deber ser capaz de recibir la electricidad proveniente de la turbina. Si ya hay muchas turbinas conectadas a la red, la red puede necesitar refuerzo, es decir, un cable ms grande, conectado quizs ms cerca de una estacin de transformacin de ms alto voltaje. Para ms informacin lea la seccin sobre red elctrica. Condiciones del suelo La viabilidad tanto de realizar las cimentaciones de las turbinas como de construir carreteras que permitan la llegada de camiones pesados hasta el emplazamiento deben tenerse en cuenta en cualquier proyecto de aerogenerador. Riesgos en el uso de datos meteorolgicos Los meteorlogos ya recogen datos de viento para sus previsiones meteorolgicas y para aviacin, y esa informacin es a menudo utilizada para la evaluacin de las condiciones de viento generales para energa elica en un rea determinada. Sin embargo, aunque para las previsiones meteorolgicas no es tan importante realizar medidas precisas de la velocidad del viento, y por tanto de la energa del viento, s que lo es para la elaboracin de planes elicos. Las velocidades del viento son fuertemente influenciadas por la rugosidad de la superficie del rea circundante, por los obstculos cercanos (como rboles, faros u otras construcciones) y por los alrededores del terreno local. A menos de que haga clculos que compensen las condiciones locales en las que las medidas fueron hechas, es difcil estimar las condiciones elicas en un emplazamiento cercano. En la mayora de los casos, la utilizacin directa de datos meteorolgicos infraestimarn el potencial elico real del rea. En las pginas siguientes veremos como calculan los profesionales la velocidad del viento.

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Condiciones elicas marinas Condiciones elicas en el mar Las superficies de mares y lagos son obviamente muy lisas, por lo que la rugosidad de la superficie marina es muy baja (a velocidades del viento constantes). Con velocidades de viento crecientes, parte de la energa se emplea en producir oleaje, lo que implica un aumento de la rugosidad. Una vez se han formado las olas, la rugosidad decrece de nuevo. Por tanto tenemos una superficie de rugosidad variable (lo mismo ocurre en zonas cubiertas con ms o menos nieve). Sin embargo, si generalizamos, puede considerarse que la rugosidad de la superficie del agua es muy baja y que los obstculos del viento son pocos. Al realizar los clculos debern tenerse en cuenta islas, faros, etc. tal y como se tendran en cuenta los obstculos situados en la direccin de donde viene el viento o los cambios de rugosidad en la tierra. Bajo cizallamiento del viento implica menor altura de buje Con una baja rugosidad, el cizallamiento del viento en el mar es tambin muy bajo, lo que implica que la velocidad del viento no experimenta grandes cambios al variar la altura del buje del aerogenerador. As pues, puede resultar ms econmico utilizar torres ms bien bajas, de alrededor de 0,75 veces el dimetro del rotor, en aerogeneradores emplazados en el mar, dependiendo de las condiciones locales (normalmente, las torres de los aerogeneradores situados en tierra miden un dimetro de rotor, o incluso ms). Baja intensidad de las turbulencias = mayor tiempo de vida de los aerogeneradores El viento en el mar es generalmente menos turbulento que en tierra, por lo que en un aerogenerador situado en el mar se puede esperar un tiempo de vida mayor que en otro situado en tierra. La baja turbulencia del mar se debe, ante todo, al hecho de que las diferencias de temperatura a diferentes altitudes de la atmsfera que hay sobre el mar son inferiores a las que hay sobre la tierra. La radiacin solar puede penetrar varios metros bajo el mar mientras que en tierra la radiacin solar slo calienta la capa superior del suelo, que llega a estar mucho ms caliente. Consecuentemente, las diferencias de temperatura entre la superficie y el aire sern menores sobre el mar que sobre la tierra. Esto es lo que provoca que la turbulencia sea menor. Condiciones del abrigo del viento en el mar El modelo convencional WAsP usado para la modelizacin del viento en tierra est siendo modificado para poder ser utilizado en la modelizacin de condiciones de viento en el mar, segn su promotor, el 'Riso National Laboratory'. Los principales resultados obtenidos de la experiencia del principal parque elico en Vindeby (Dinamarca) y del construido posteriormente en Tun Knob (Dinamarca) han conducido a nuevas investigaciones con anemmetros situados en diferentes emplazamientos a lo largo del litoral dans desde 1996. Los resultados preliminares indican que los efectos del abrigo del viento desde tierra pueden ser ms importantes, incluso a distancias de 20 Km., de lo que en un principio se haba pensado. Por otro lado, parece que los recursos elicos marinos pueden ser del 5 al 10 por ciento superiores a los estimados en un principio.

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Mapa elico de Europa Occidental

Recursos elicos a 50 (45) m sobre el nivel del mar Color Terreno accidentado Plano abierto En la costa Mar abierto Colinas y crestas

Cmo leer el mapa elico de Europa Occidental Este mapa elico de Europa Occidental fue originalmente publicado como una parte del Atlas Elico Europeo. Los detalles de como interpretar los colores se indican en la leyenda de arriba. Observe que los datos de Noruega, Suecia y Finlandia corresponden a un estudio posterior y han sido hallados para una altura de 45 m. sobre el nivel del mar, considerando una llanura abierta. Las zonas prpuras son las reas con los vientos ms fuertes mientras que las zonas azules corresponden a los vientos ms dbiles. Las lneas que dividen las diferentes zonas no estn tan definidas como aparecen en el mapa. En realidad, las reas tienden a transformarse suavemente unas en otras. Sin embargo, observe que los colores del mapa asumen que el globo es redondo y sin ningn obstculo al viento, efectos aceleradores o variabilidad en la rugosidad del terreno. As pues, puede encontrar fcilmente emplazamientos de mucho viento para aerogeneradores en colinas y estribaciones en reas del mapa, digamos, amarillas o verdes, mientras que tiene poco viento en zonas resguardadas de las reas prpura

La potencia del viento En caso de que no pueda explicar porqu la potencia del viento media calculada en la tabla es aproximadamente el doble de la potencia del viento a la velocidad media del viento dada, lea las pginas que empiezan con la Distribucin de Weibull . La realidad es ms complicada Las diferencias locales que hay en realidad en el terreno correspondern a un dibujo mucho ms complicado, si tomamos una vista ms de cerca. Como ejemplo, tomaremos un primer plano de Dinamarca en la pgina siguiente.

Utilizacin del mapa elico para planificacin Este mapa elico ha sido elaborado para asesorar a los municipios daneses en su trabajo de planificacin (distribucin por zonas) de los aerogeneradores. Cada municipio en Dinamarca es responsable de asignar reas apropiadas para aerogeneradores, con el fin de que el Gobierno pueda cumplir sus planes de abastecer el 50% de la electricidad del pas con energa elica en el 2030.

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Utilizacin del mapa elico para prospecciones elicas Este mapa es tambin un regalo para los promotores de proyectos elicos, que pueden ver directamente cuales son los (probables) mejores campos elicos del pas. Por lo tanto, apenas podra imaginarse financiado y publicado por otra institucin que no fuera el Gobierno. Sin embargo, realmente el mapa no es suficiente para emplazar un aerogenerador, pues ha sido desarrollado mecnicamente, sin la comprobacin detallada en el terreno. Para hacer clculos correctos de produccin de energa, se tendra que ir al lugar de prospeccin y verificar, p.ej., la porosidad de los obstculos y controlar nuevos edificios, rboles, etc. Estado de los mtodos grficos de evaluacin elica Este mapa fue realizado para la Danish Energy Agency por EMD, una empresa consultora especializada en el desarrollo de software sobre energa elica, en colaboracin con el departamento elico de Risoe National Laboratory, que desarroll el software bsico de dinmica de fluidos utilizado en los clculos elicos, el programa WAsP. Calcular un mapa elico de una gran rea de forma tan detallada es realmente una tarea enorme: el mapa fue hecho sobre la base de mapas digitales extremadamente detallados, a escala 1: 25000. En realidad, los mapas se componen de 7 capas, con una capa representando los contornos de altitud (orografa), otra bosques y cercados (e incluso grandes rboles individuales), en una tercera capa se representan los edificios, en una cuarta lagos y ros, etc. El programa que genera los datos de rugosidad para el programa WAsP determina los contornos del terreno y las reas contiguas de bosques, lagos, ciudades, etc. en los cuadrados vecinos de cada cuadrado hasta una distancia de 20.000 metros en todas las direcciones. Posteriormente, los resultados fueron reajustados utilizando estadsticas de varios cientos de aerogeneradores esparcidos por todo el pas, cuyos datos de produccin de energa estn disponibles. As ha sido posible compensar el hecho de que las velocidades medias del viento en Dinamarca tienden a disminuir conforme nos desplazamos hacia el este.

ENERGIA PRODUCIDA Descripcin de las variaciones del viento: distribucin de Weibull Modelo general de las variaciones en la velocidad del viento Para la industria elica es muy importante ser capaz de describir la variacin de las velocidades del viento. Los proyectistas de turbinas necesitan la informacin para optimizar el diseo de sus aerogeneradores, as como para minimizar los costes de generacin. Los inversores necesitan la informacin para estimar sus ingresos por produccin de electricidad Si mide las velocidades del viento a lo largo de un ao observar que en la mayora de reas los fuertes vendavales son raros, mientras que los vientos frescos y moderados son bastante comunes. La variacin del viento en un emplazamiento tpico suele describirse utilizando la llamada Distribucin de Weibull, como la mostrada en el dibujo. Este emplazamiento particular tiene una velocidad media del viento de 7 metros por segundo, y la forma de la curva est determinada por un parmetro de forma de 2. Descripcin estadstica de las velocidades del viento La gente que est familiarizada con la estadstica se dar cuenta de que el grfico muestra una distribucin de probabilidad. El rea 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 por cien. La mitad del rea azul est a la izquierda de la lnea negra vertical a 6,6 metros por segundo. Los 6,6 m/s son la mediana de la distribucin. Esto significa que la mitad del tiempo el viento soplar a menos de 6,6 m/s y la otra mitad soplar a ms de 6,6 m/s.

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Puede preguntarse porqu decimos entonces que la velocidad del viento media es de 7 m/s. La velocidad del viento media es realmente el promedio de las observaciones de la velocidad del viento que tendremos en ese emplazamiento. Como podr observar, la distribucin de las velocidades del viento es sesgada, es decir, no es simtrica. A veces tendr velocidades de viento muy altas, pero son muy raras. Por otro lado, las velocidades del viento de 5,5 m/s son las ms comunes. Los 5,5 metros por segundo es el llamado valor modal de la distribucin. Si multiplicamos cada diminuto intervalo de la velocidad del viento por la probabilidad de tener esa velocidad particular, y los sumamos todos, obtenemos la velocidad del viento media. La distribucin estadstica de las velocidades del viento vara de un lugar a otro del globo, dependiendo de las condiciones climticas locales, del paisaje y de su superficie. Por lo tanto, la Distribucin de Weibull puede variar tanto en la forma como en el valor medio. Si el parmetro de forma es exactamente 2, como en el grfico de esta pgina, la distribucin es conocida como distribucin de Rayleigh. Los fabricantes de aerogeneradores proporcionan grficas de rendimiento para sus mquinas usando la distribucin de Raileigh.

Equilibrado de la distribucin de Weibull

Otra forma de obtener la velocidad media del viento es equilibrando el montn de bloques hacia la derecha, que representa exactamente lo mismo que el grfico de arriba. Cada bloque representa la probabilidad de que el viento sople a esa velocidad durante un 1 por ciento del tiempo durante un ao: Las velocidades de 1 m/s estn en el montn de ms a la izquierda, mientras que las de 17 m/s estn en el de ms a la derecha. El punto en el que todo el montn se equilibrar exactamente ser en el sptimo montn, con lo que la velocidad media del viento ser de 7 m/s. La falacia de la botella promedio Cul es el contenido energtico del viento promedio en el emplazamiento de su aerogenerador? La mayora de la gente nueva en la energa elica piensa que podra vivir fcilmente sin la distribucin de Weibull. Despus de todo, si conocemos la velocidad del viento media, tambin conocemos la potencia media del viento, no es as? Por tanto, no podramos simplemente utilizar la potencia (o energa) a la velocidad del viento media para calcular cuanta potencia (o energa) llegar al aerogenerador? En otras palabras, no podramos simplemente decir que con una velocidad media del viento de 7 m/s tendremos una potencia de entrada de 210 W por metro cuadrado de rea del rotor? (puede encontrar esa cifra en la tabla sobre la potencia del viento en el manual de referencia). La respuesta es no! Subestimaramos los recursos elicos en casi un 100 %. Si hiciramos eso, seramos vctimas de lo que podramos llamar la falacia de la botella promedio: mire la botella ms pequea y la ms grande del dibujo. Ambas tienen exactamente la misma forma. Una mide 0,24 m de alto y la otra 0,76m. Cunto mide la botella promedio? Si su respuesta es 0,5 m, estar siendo vctima de la falacia de la botella promedio. Lo que nos interesa de las botellas es su volumen, por supuesto. Pero el volumen vara con el cubo (la tercera potencia) de su tamao. Por lo tanto, aunque la botella ms grande slo es 3,17 veces mayor que la pequea, su volumen es 3,17 3 = 32 veces ms grande que el de la botella pequea. El volumen promedio es pues 16,5 veces el de la botella pequea. Eso significa que una botella con el volumen promedio debera tener una altura 2,55 veces la altura de la botella pequea, es decir, 0,61 metros (puesto que 2,55 3 = 16,5).25 de 74

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Lo que intentamos resaltar es que no puede simplemente tomar un promedio de las velocidades del viento y despus utilizar la velocidad media del viento para sus clculos de potencia. Deber ponderar la probabilidad de cada velocidad del viento con la correspondiente cantidad de potencia. En las dos pginas siguientes calcularemos la energa en el viento. Primero usamos el ejemplo de la botella para entender la idea y despus utilizaremos las matemticas. Potencia media (promedio) del viento Equilibrado de la distribucin de potencia La razn por la que nos interesan las velocidades del viento es por su contenido energtico, como con las botellas de la pgina anterior: nos preocupamos de su contenido en trminos de volumen. Ahora bien, el volumen de una botella vara con el cubo de su tamao, tal como la potencia vara con el cubo de la velocidad del viento. Tomemos la distribucin de Weibull para las velocidades del viento, y para cada velocidad colocamos una botella en una repisa cada vez que tengamos una probabilidad de un 1 por ciento de obtener esa velocidad. El tamao de cada botella corresponde a la velocidad del viento, por lo que el peso de cada botella corresponde a la cantidad de energa en el viento. A la derecha, a 17 m/s tenemos botellas realmente pesadas, con un peso de casi 5.000 veces mayor que el de las botellas a 1 m/s (a 1 m/s el viento tiene una potencia de 0,61 W/m 2. A 17 m/s su potencia es de 3009 W/m 2). Encontrar la velocidad del viento a la que obtenemos la media de la distribucin de potencia equivale a equilibrar las estanteras (recuerda cmo hicimos el equilibrado en la pgina de la distribucin de Weibull?). En este caso, como puede ver, aunque los vientos fuertes son poco frecuentes intervienen con una gran cantidad de energa. Por tanto, con una velocidad media del viento de 7 m/s en este caso, la potencia media ponderada de las velocidades del viento es de 8,7 m/s. A esa velocidad la potencia del viento es de 402 W/m 2, que es casi el doble de la que obtenamos de nuestro ingenuo clculo al principio de la pgina anterior. En las prximas pginas utilizaremos un mtodo ms conveniente para el clculo de la potencia en el viento que llevar botellas de un lado al otro. La ley de Betz El frenado ideal del viento Cuanto mayor sea la energa cintica que un aerogenerador extraiga del viento, mayor ser la ralentizacin que sufrir el viento que deja el aerogenerador por su parte izquierda en el dibujo (si usted se pregunta sobre el tubo de corriente del dibujo, es porque no ha ledo la pgina sobre cmo los aerogeneradores desvan el viento). Si intentamos extraer toda la energa del viento, el aire saldra con una velocidad nula, es decir, el aire no podra abandonar la turbina. En ese caso no se extraera ninguna energa en absoluto, ya que obviamente tambin se impedira la entrada de aire al rotor del aerogenerador. En el otro caso extremo, el viento podra pasar a travs de nuestro tubo (arriba) sin ser para nada estorbado. En este caso tampoco habramos extrado ninguna energa del viento. As pues, podemos asumir que debe haber alguna forma de frenar el viento que est entremedio de estos dos extremos, y que sea ms eficiente en la conversin de la energa del viento en energa mecnica til. Resulta que hay una respuesta a esto sorprendentemente simple: un aerogenerador ideal ralentizara el viento hasta 2/3 de su velocidad inicial. Para entender el porqu, tendremos que usar la ley fsica fundamental para la aerodinmica de los aerogeneradores:

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La ley de Betz La ley de Betz dice que slo puede convertirse menos de 16/27 (el 59 %) de la energa cintica en energa mecnica usando un aerogenerador. La ley de Betz fue formulada por primera vez por el fsico alemn Albert Betz en 1919. Su libro "WindEnergie", publicado en 1926, proporciona buena parte del conocimiento que en ese momento se tena sobre energa elica y aerogeneradores. Es sorprendente que se pueda hacer una afirmacin general tan tajante que se pueda aplicar a cualquier aerogenerador con un rotor en forma de disco. La demostracin del teorema requiere algo de matemticas y de fsica, pero no se desanime por eso, tal y como escribe en su libro el propio Betz. La demostracin que Betz hizo del teorema se incluye en el manual de referencia. Funcin de densidad de potencia Potencia del viento De la pgina sobre la energa en el viento sabemos que el potencial de energa por segundo (la potencia) vara proporcionalmente al cubo de la velocidad del viento (la tercera potencia), y proporcionalmente a la densidad del aire (su peso por unidad de volumen). Ahora podemos combinar todo lo que hemos aprendido hasta el momento: si multiplicamos la potencia de cada velocidad del viento con la probabilidad de cada velocidad del viento de la grfica de Weibull, habremos calculado la distribucin de energa elica a diferentes velocidades del viento = la densidad de potencia. Observe que 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. De densidad de potencia a potencia disponible El rea bajo la curva gris (a lo largo del eje horizontal) nos da la cantidad de potencia elica por metro cuadrado de flujo del viento que puede esperarse en este emplazamiento en particular. En este caso tenemos una velocidad del viento media de 7 m/s y un Weibull k = 2, por lo que tenemos 402 W/m 2. Observe que esta potencia es casi el doble de la obtenida cuando el viento sopla constantemente a la velocidad media. El grfico consta de cierto nmero de columnas estrechas, una para cada intervalo de 0,1 m/s de la velocidad del viento. La altura de cada columna es la potencia (nmero de vatios por metro cuadrado), con la que cada velocidad del viento en particular contribuye en la cantidad total de potencia disponible por metro cuadrado. El rea bajo la curva azul indica qu cantidad de potencia puede ser tericamente convertida en potencia mecnica (segn la ley de Betz, ser 16/27 de la potencia total del viento). El rea total bajo la curva roja nos dice cual ser la potencia elctrica que un aerogenerador producir en dicho emplazamiento. Aprenderemos a calcularlo cuando lleguemos a la pgina sobre curvas de potencia. Los mensajes ms importantes del grfico Lo ms importante es observar que la mayor parte de la energa elica se encontrar a velocidades por encima de la velocidad media del viento (promedio) en el emplazamiento. No es tan sorprendente como parece, ya que sabemos que las velocidades del viento altas tienen un contenido energtico mucho mayor que las velocidades del viento bajas.

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Velocidad de conexin Normalmente, los aerogeneradores estn diseados para empezar a girar a velocidades alrededor de 3-5 m/s. Es la llamada velocidad de conexin. El rea azul de la izquierda muestra la pequea cantidad de potencia perdida debido al hecho de que la turbina slo empieza a funcionar a partir de, digamos, 5 m/s. Velocidad de corte El aerogenerador se programar para pararse a altas velocidades del viento, de unos 25 m/s, para evitar posibles daos el la turbina o en sus alrededores. La velocidad del viento de parada se denomina velocidad de corte. La minscula rea azul de la derecha representa la prdida de potencia. Curva de potencia de un aerogenerador La curva de potencia de un aerogenerador es un grfico que indica cul ser la potencia elctrica disponible en el aerogenerador a diferentes velocidades del viento. El grfico muestra una curva de potencia de un tpico aerogenerador dans de 600 kW. Las curvas de potencia se obtienen a partir de medidas realizadas en campo, dnde un anemmetro es situado sobre un mstil relativamente cerca del aerogenerador (no sobre el mismo aerogenerador ni demasiado cerca de l, pues el rotor del aerogenerador puede crear turbulencia, y hacer que la medida de la velocidad del viento sea poco fiable). Si la velocidad del viento no est variando demasiado rpidamente, pueden usarse las medidas de la velocidad del viento realizadas con el anemmetro y leer la potencia elctrica disponible directamente del aerogenerador, y dibujar los dos tipos de valores conjuntamente en un grfico similar al de la izquierda. Incertidumbre en mediciones de curvas de potencia En realidad, en el grfico puede verse una nube de puntos esparcidos alrededor de la lnea azul, y no una curva bien definida. El motivo es que en la prctica la velocidad del viento siempre flucta, y no se puede medir exactamente la columna de viento que pasa a travs del rotor del aerogenerador (colocar un anemmetro justo enfrente del aerogenerador no es una solucin factible, ya que el aerogenerador tambin proyectar un "abrigo" que frenar el viento enfrente de l). As pues, en la prctica se debe tomar un promedio de las diferentes medidas para cada velocidad del viento, y dibujar el grfico con esos promedios. Adems, es difcil hacer medidas exactas de la propia velocidad del viento. Si se tiene un 3 por ciento de error en las mediciones de la velocidad del viento, entonces la energa del viento puede ser un 9 por ciento superior o inferior (recuerde que el contenido energtico vara con la tercera potencia de la velocidad del viento). En consecuencia, pueden existir errores hasta de 10% incluso en curvas certificadas. Verificacin de las curvas de potencia Las curvas de potencia estn basadas en medidas realizadas en zonas de baja intensidad de turbulencias, y con el viento viniendo directamente hacia la parte delantera de la turbina. Las turbulencias locales y los terrenos complejos (p.ej. aerogeneradores situados en una pendiente rugosa) pueden implicar que rfagas de viento golpeen el rotor desde diversas direcciones. Por lo tanto, puede ser difcil reproducir exactamente la curva en una localizacin cualquiera dada.

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Riesgos en el uso de las curvas de potencia Una curva de potencia no indicar cuanta potencia producir un aerogenerador a una cierta velocidad del viento media. Ni siquiera se acercar si usa este mtodo! Recuerde que el contenido de energa vara fuertemente con la velocidad del viento, tal como se vio en la seccin sobre la energa en el viento. Por lo tanto, es muy importante la forma a la que se ha llegado a ese promedio, es decir, si los vientos varan mucho o si soplan a una velocidad relativamente constante. Tambin, puede acordarse del ejemplo en la seccin sobre la funcin de densidad de potencia, que la mayor parte de energa elica est disponible a las velocidades del viento que son el doble de la velocidad del viento ms comn en dicho emplazamiento Finalmente, debe tenerse la cuenta el hecho de que la turbina puede no estar girando a la temperatura y presin de aire estndar, y consecuentemente hacer correcciones de los cambios en la densidad del aire. Coeficiente de potencia El coeficiente de potencia indica con qu eficiencia el aerogenerador convierte la energa del viento en electricidad. Simplemente dividiendo la potencia elctrica disponible por la potencia elica de entrada, para medir como de tcnicamente eficiente es un aerogenerador. En otras palabras, tomamos la curva de potencia y la dividimos por el rea del rotor para obtener la potencia disponible por metro cuadrado de rea del rotor. Posteriormente, para cada velocidad del viento, dividimos el resultado por la cantidad de potencia en el viento por metro cuadrado. El grfico muestra la curva del coeficiente de potencia para un aerogenerador dans tpico. Aunque la eficiencia media de estos aerogeneradores suele estar por encima del 20 por cien, la eficiencia vara mucho con la velocidad del viento (pequeas oscilaciones en la curva suelen ser debidas a errores de medicin). Como puede observar, la eficiencia mecnica del aerogenerador ms alta (en este caso del 44%) se da a velocidades alrededor de 9 m/s. Este valor ha sido elegido deliberadamente por los ingenieros que disearon la turbina. A bajas velocidades del viento la eficiencia no es tan alta, ya que no hay mucha energa que recoger. A altas velocidades del viento, la turbina debe disipar cualquier exceso de energa por encima de aquella para la que ha sido diseado el generador. As pues, la eficiencia interesa sobretodo en la zona de velocidades de viento donde se encuentra la mayor parte de la energa. Una mayor eficiencia tcnica no es necesariamente el camino a seguir No es un fin en si mismo el tener una gran eficiencia tcnica en un aerogenerador. Lo que en realidad interesa es el coste de sacar los Kwh. del viento durante los prximos 20 aos. Dado que en este caso el combustible es gratis no hay necesidad de ahorrarlo. Por tanto, la turbina ptima no tiene por qu ser necesariamente la de mayor produccin anual de energa. Por otro lado, cada metro cuadrado de rea de rot

1.- Energía Eólica Aerogeneradores

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