4. RECURSO EÓLICO
4.1 LA NATURALEZA DEL VIENTO
a energía cinética del viento, es una forma secundaria de energía solar; la cual está disponible en todo el mundo, teniendo significantes diferencias espaciales y temporales que deben de tenerse en cuenta y ser estudiadas detenidamente. La energía cinética del viento es, así mismo, la transformación de la fuerza del viento en otras formas de energía aprovechables por el hombre con el fin de obtener mayor confort, ahorrar trabajo, aumentar la eficiencia y de brindar innumerables ventajas de la energía eléctrica.
Hay tres componentes del viento que determinan la potencia disponible de un Sistema de Conversión de Energía Eólica (S.C.E.E.):
A. Velocidad del viento: con el aumento de la velocidad del viento, la generación eólica disponible aumenta exponencialmente. La potencia disponible es proporcional al cubo de la velocidad. Es decir, que un incremento de 1 m/s acrecienta la velocidad del viento en su valor al cubo. Puesto que la alta velocidad del viento es deseable por cualquier sitio dado, la meta para evaluar el sitio es cuantificar la velocidad del viento para estimar el rendimiento de un generador eólico en dicho lugar.
B. Características del viento (turbulencia): Mientras los modelos de tiempo globales ponen el aire en movimiento y a grandes rasgos determinan el recurso del viento de una región, rasgos topográficos locales, que incluyen formaciones geográficas, flora y estructuras artificiales, pueden mostrar la diferencia entre un recurso eólico utilizable y uno que no lo es.
C. Densidad del aire: temperaturas bajas producen una densidad de aire más alta. Mayor densidad significa mayor fluidez de las moléculas en un volumen de aire dado y mayor fluidez de las moléculas encima de una pala de la turbina produce un rendimiento más alto de la potencia para una velocidad del viento dada. Sobre el curso de un año, una variación del 25 porciento en la potencia disponible se puede registrar debido al cambio estacional de temperatura que influye en un cambio en la densidad del aire. TABLA 4.1.
L
TABLA 4.1:DENSIDAD DEL AIRE A PRESIÓN ATMOSFÉRICA NORMAL
Temperatu
°Celsius ra
Temperatura
°Farenheit Densidad, masa de aire kg/m3
seco
Max.agua volumen kg/m3
-25 -13 1.423 -20 -4 1.395 -15 5 1.368 -10 14 1.342
-5 23 1.317
0 32 1.292 0.005 5 41 1.269 0.007 10 50 1.247 0.009
15 59 1.225 * 0.013
20 68 1.204 0.017 25 77 1.184 0.023 30 86 1.165 0.030 35 95 1.146 0.039 40 104 1.127 0.051
* La densidad de aire seco a presión atmosférica normal a nivel del mar a los 15° C se usa como una norma en la industria del viento.
4.2 ENERGÍA BÁSICA Y NOCIONES DE POTENCIA Y UNIDAD
ara entender el recurso eólico y la energía relacionada a éste, es necesario entender las nociones básicas de energía y potencia, y las unidades usadas para medir esas cantidades. El uso se hará partiendo del Sistema Internacional de Unidades (SI) con las unidades básicas siguientes:
9 longitud: metro (m) 9 tiempo: segundo (s) 9 masa: kilogramo (kg)
Las unidades derivadas son:
9 velocidad: [m/s]
9 fuerza: Newton [N = kg /m]
9 energia: Joule [J = N m]
Potencia es igual a energía por segundo, y su unidad es J/s, también llamado Watt [W]. Viceversa, la energía igual al tiempo de potencia, [J = W s]. La unidad más normalmente usada para la energía eléctrica es el kWh:
P
Note que esa energía (y potencia) puede tener muchas formas pero todas ellas comparten las mismas unidades:
• energía cinética (masa * 1.5 velocidad2 = [J]),
• árbol o energía mecánica (torque * desplazamiento angular = [J]; potencia = torque * velocidad angular = W)
• potencia eléctrica (V-A cos Φ = [W])
• energía interna (función de temperatura = [J])
Las diferentes formas de energía pueden convertirse en una u otra, pero la energía total se conserva.
Los prefijos frecuentemente usados para las unidades de energía son: el k(ilo) = 103; M(ega) = 106; G(iga) = 109; T(era) = 1012; P(eta) = 1015.
4.3 RELACIÓN ENTRE VELOCIDAD Y POTENCIA DEL VIENTO
uando se habla de energía eólica hay que hablar de energía cinética del movimiento de las partículas de aire (las cuales componen la atmósfera) y ésta es expresada mediante el producto de la masa de aire por la mitad de la velocidad al cuadrado:
De aquí en adelante la energía contenida en un volumen (m3) de unidad de aire es igual a:
donde ρ es igual a la densidad de masa de aire en kg/m3. 1El volumen del aire que atraviesa cada segundo un área A perpendicular a la velocidad del viento V, iguala AV, FIGURA 4.1, de aquí en adelante la energía (viento) que cada segundo pase a través de éste área es igual a:
C
3 (1) 2 J/m
ρV w 2 2 1 2 mV c 1
e = =
(
por unidad deárea) [
W/m]
(2) A2ρV AV 1 2ρV Pot. 1 p/segundo
Energía = = 2 = 3 2
mV 2
2
c 1
e =
Note que la potencia del viento es proporcional al cubo de la velocidad del viento y a la densidad del aire. A alturas más altas al nivel del mar, hay menos potencia asociada con la misma velocidad de viento que al nivel del mar; esto es debido a que la
∆ disminuye con la altura.
El flujo de energía, o densidad de energía (potencia/m2) es un parámetro importante en la estimación del potencial de viento de una área. A fin de desarrollar un mejor entendimiento para magnitudes, algunos valores típicos se enumeran más adelante:
Tabla 1: ejemplos de la relación entre la velocidad de viento, densidad de masa aérea y densidad de energía.
V
(m/s) ρ
(kg/m3)
Densidad de Energía (W/m2) 4 1.22 39.0 6 1.22 131.8 6 1.00 108.0 8 1.22 312.3 8 1.00 256.0 10 1.22 610.0
La velocidad de viento en cualquier sitio dado es muy inconstante, por lo tanto la potencia eólica lo es también. El
1interés es conocer valores medios anuales de potencia eólica.
Este valor no es igual a la potencia asociada con la velocidad media anual del viento, como se aclarará en un ejemplo simple:
presuma que la velocidad media anual del viento es igual a 4 m/s;
hay una densidad de energía de sólo 39 W/m2 asociada con esta velocidad de viento. Sin embargo, este valor medio se obtuvo
1 El valor del promedio de la densidad de masa aérea depende de altitud sobre el nivel del mar. Al nivel del mar ρ = 1.22 kg/m3, mientras a unos 1400 m el nivel del mar anterior ρ ≅ 1.0 kg/m3. Más precisamente,ρ es una función de
ρ
Volumen A V
Area A V
Figura 4.1. Volumen y flujo de energía a través de un área perpendicular a la velocidad del viento
FIGURA 4.2
desde las velocidades de viento que en la mitad del año igualan a 0 m/s y la otra mitad del año igualan los 8 m/s, entonces la densidad media anual de energía estaría por valor de 156 W/m2, o 4 veces el valor asociado con la velocidad media anual del viento.
De hecho la relación entre la densidad de energía a una velocidad media de viento y la densidad media de energía se llama factor de energía (Ep) y es otro de los parámetros por los que el potencial del viento se juzga. A fin de determinar su valor, debe estudiarse la llamada la distribución de frecuencia de la velocidad del viento que es el tema de una de las próximas secciones.
4.4 POTENCIAL EXTRAÍDO POR UNA TURBINA EÓLICA
as turbinas eólicas usan la energía cinética del flujo del viento. Sus rotores reducen la velocidad del viento de la imperturbada y lejana velocidad del viento v1 delante del rotor a una reducida velocidad de la corriente de aire v2 detrás del rotor (FIGURA 4.2). La diferencia en velocidad del viento es una medida para la energía cinética extraída que gira el rotor y, al extremo opuesto del tren
de paso, el generador eléctrico conectado. El poder teóricamente extraído por la turbina eólica puede ser descrito por la siguiente ecuación:
con la densidad del aire ∆ (kg/m3), el coeficiente de potencia cp, la eficacia mecánica/eléctrica 0, el área de disco de rotor A y la
imperturbada velocidad de viento v1 delante del rotor. En condiciones ideales el máximo teórico del cp es 16/27 = 0.593 o en otras palabras 59.3% el volumen del flujo del de energía del aire puede ser extraído teóricamente por una turbina eólica. Bajo las condiciones reales el coeficiente de potencia en ningún caso alcanza a más del cp = 0.5 porque deben incluirse todas las pérdidas aerodinámicas del aerogenerador. En la mayoría de las actuales publicaciones técnicas el valor cp incluye todas las pérdidas y es de hecho el atajo para el cp * 0. En la FIGURA 4.3 se muestran los diferentes volúmenes de potencia y extractos
L
3
* 1
*
*
* 2
/ c A v
P= ρ p η
dependientes en el coeficiente de potencia y la eficiencia de una turbina eólica.
En caso que el cp alcance la
velocidad de viento teórica máxima v2 detrás del rotor es sólo 1/3 de la velocidad v1
delante del rotor.
Turbinas eólicas situadas una tras otra en una granja eólica producen menos energía
debido a reducciones de la
velocidad del viento causada por el aerogenerador delante del ellas. La pérdida
de energía puede ser disminuida aumentando la distancia entre las turbinas porque el viento detrás de un aerogenerador será acelerado de nuevo por el campo del viento circundante. Una granja eólica apropiadamente diseñada puede tener, por consiguiente, menos del 10% de pérdidas causadas por los efectos de la interferencia mutua.
La ecuación para el potencial extraído por turbinas eólicas muestra que la generación de energía anual de un aerogenerador depende de la distribución de velocidad de viento del sitio, la densidad del aire (influenciado por temperatura y presión), el tamaño del rotor y el diseño técnico. Sobre todo la altura de la torre afecta considerablemente la extracción de energía, porque la velocidad de viento aumenta con la altura sobre el nivel del mar. Para conseguir una posible impresión de la extracción de energía actual de una turbina eólica, la FIGURA 4.4 muestra la producción anual de energía por metro cuadrado en el área del rotor de una turbina eólica en un sitio con una velocidad media anual de viento de 6 m/s medidos a 10 m de altura sobre el nivel del mar.
Según la FIGURA 4.4 una turbina eólica con 43 m de diámetro y una altura del rotor de 50 m generaría sobre
Wh/year 1,742,641k
2 /4 43
* π
* 2 ) m 1,200(kWh/
A
* EA
E = = =
FIGURA 4.3
En la FIGURA 4.4 se representan con puntos las turbinas eólicas comerciales, el potencial del
tamaño del aerogenerador
puede encontrarse en la FIGURA 4.5 en la que se muestran los cambios del potencial
específico
instalado versus la altura de rotor. En el ejemplo anterior
la turbina eólica con 50 m de altura de la torre tiene una potencia específica instalada de 400 W/m2 probablemente que lleva a una turbina de 600 kW de potencial instalado. Todos los gráficos son basados en las condiciones de Atmósfera Normales para el hemisferio Norte. Debido a las diferentes condiciones de temperatura (= baja densidad de aire) en la mayoría de los países del hemisferio sur, los resultados tienen que ser adaptados.
FIGURA 4.4
FIGURA 4.5
