La energía eólica - Arturo Lara

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1. La energía eólica
Aproximadamente el 2% de la energía que nos llega del Sol se transforma en energía cinética de los vientos procedentes de la atmosfera. El 35% de esta energía se disipa en la capa atmosférica a tan solo 1 km por encima del nivel del suelo. Del resto se estima que por su aleatoriedad y dispersión solo podría ser utilizada 1/15 parte, cantidad que hubiera sido suficiente para abastecer del orden de 10 veces el consumo de energía primaria mundial del año 2007 (11.000 Mtep). A finales de 2007 había instalados en el mundo una potencia de 94 GW y se prevé un rápido crecimiento. En el año 2050 se prevé que el 50% de electricidad proceda de las energías renovables y de ella el 30% sea de energía eólica, de ahí su enorme potencial e interés.
1.1. Tipos y características generales del viento
La corriente de aire producida en la atmósfera por causas naturales es lo que conocemos como viento. Por tanto tenemos que analizar en qué consiste el material viento y qué causa al ponerlo en movimiento.
Un litro de aire pesa 1,225 g a nivel del mar y excluido el contenido de agua e impurezas en suspensión, los elementos y la proporción de su contenido son los indicados en la tabla 6.1.
	Proporción
	Elemento
	78,08 %
	Nitrógeno (N2)
	20,95 %
	Oxígeno (0?)
	0,93 %
	Argón (Ar)
	0,03
	Dióxido de carbono (CO2)
	0,01 %
	Neón (Ne), helio (He), metano (CH4), kriptón (Kr), hidrógeno (Hz), dióxido de nitrógeno ( NO2), xenón (Xe), ozono (O3).
f Tabla 6.1. Composición del aire en reposo, libre de humedad y sin impurezas en suspensión.
Vientos del Oeste
Alisios
Vientos del Este
Giro de la s
Tierra de
Este a Oeste
T Figura 6.2. Sentido del viento en los hemisferios norte-sur se-
gún la fuerza de Coriolis.
La energía del sol provoca diferentes niveles de calenta-
miento y presión en superf icie y en la atmósfera terrestre que
tienden a eliminarse con la circulación de aire que denomi-
namos viento.
Podemos considerar dos tipos de vientos:
a) Vientos generales debidos a la circulación del aire del pla-
neta.
b) Vientos locales debidos al calentamiento del terreno y a
sus características topográficas y orográficas.
Los vientos globales circulan por todo el planeta en capas de
la estratosfera y se rigen por los cambios de temperatura y
presión atmosférica y por la fuerza de Coriolis. Esta fuerza de
Coriolis, hace que, visto desde el espacio, el viento del he-
misferio norte tienda a girar en el sentido de las agujas del re-
loj cuando se acerca a un área de bajas presiones y el del he-
misferio sur lo haga en sentido contrario (figura 6.2).
Energías renovables
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Los vientos locales se manifiestan más claramente cuando los vientos generales son débiles y cerca de la superficie del terreno se modifica su trayectoria y frenado por efecto de la interacción con el terreno debido al rozamiento del mismo.
Al no ser uniforme la radiación solar sobre la superficie del terreno se producen movimientos de convección de aire de forma que el más cálido asciende y su lugar lo ocupan masas de aire más frías, pero, al elevarse, se enfrían, aumentan su densidad y descienden, repitiéndose el proceso de forma irregular. De esta forma, si se dispone una pala en una corriente de aire, con una determinada inclinación respecto a la dirección de la citada corriente, se produce una sobrepresión en su parte delantera y una depresión en la posterior, lo que da lugar a una fuerza aerodinámica que depende del sistema de captación, como se puede ver en la tabla 6.3.
La velocidad, desde el punto de vista energético, es el parámetro más importante, pues la energía cinética que lleva el viento aumenta proporcionalmente al cubo de la velocidad a la que se mueve.
Por otro lado, el factor que más influye para calcular la velocidad de los vientos locales es el rozamiento con la rugosidad del emplazamiento. Para una determinada área la presencia de distintas rugosidades en el terreno provoca turbulencias variables que dificultan la utilización del viento a poca altura de la superficie del terreno donde se ubica la instalación. A partir de investigaciones experimentales se llega en la actualidad a utilizar, en una primera aproximación, la siguiente fórmula:
v cabulario
Español - Inglés
Eje vertical: vertical axis.
Eje horizontal: horizontal axis. Mecanismo de orientación: yaw mechanism.
Anemómetro: anemometer.
Molinos: windmills.
v : velocidad del viento a la altura h respecto al suelo del emplazamiento que se considera a ho (m/s).
vq: velocidad del viento a la altura ho del suelo del emplazamiento (m/s).
h: altura a la que se desea calcular (medir) la velocidad del viento (m).
hq : altura del suelo del emplazamiento o altura de referencia que se toma como valor de 10 m.
n : coeficiente que depende de la rugosidad del terreno en el lugar del emplazamiento. Valor tabulado, estimado según datos empíricos, que se indica en la tabla 6.2.
	Tipo de terreno
	n
	Liso (mar, arena, nieve)
	0,10-0,13
	Moderadamente rugoso (hierba, campos de cereales, regiones rurales)
	0,13-0,20
	Rugoso (bosques, barrios)
	0,20-0,27
	Muy rugoso (ciudades, altos edificios)
	0,27 - 0,40
T Tabla 6.2. Valor de n para distintos tipos de terreno.
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Unidad 6
caso práctico inicial
En la tabla 6.3 se describen los sistemas que existen para captación del aire y transformar su energía en electricidad.
Eje vertical
SISTEMAS DE CAPTACIÓN EÓLICA
(ELEMENTO DE CAPTACIÓN O ROTOR UNIDO A UN EJE)
El sistema Savonius (figura 6.3) en el que el eje gira en el mismo plano que el viento y no necesita mecanismo de orientación.
Una variante, el de cazoleta (figura 6.4), que es el utilizado por los anemómetros.
El sistema Darreius (figura 6.5) permite aprovechar el viento dentro de una amplia gama de velocidades, pero tiene los inconvenientes de menor potencia y la necesidad de motorizar el aerogenerador para su arranque.
Eje horizontal
Tripala	Multipala
T Figura 6.6.
Barlovento	Sotavento
T Figura 6.7.
Los multipalas (figura 6.6) de velocidad lenta utilizados en molinos y aerobombas.
El de tres palas (figura 6.6) es sin duda el más empleado y con relación a la posición del rotor son:
A sotavento (rotor aguas abajo de la torre), si el rotor y la góndola tienen el diseño apropiado no necesitan mecanismo de seguimiento (fig.6.7).
A barlovento (rotor aguas arriba de la torre). Esta última es la posición más utilizada por entrar el viento de frente a las palas del rotor, situando el sistema de orientación (veleta o sistema electrónico) en la parte posterior del aerogenerador (fig.6.7).
T Tabla 6.3. Sistemas de captación del viento.
Energías renovables
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A la hora de realizar un. aprovechamiento energético es muy importante efectuar
una correcta estimación del viento captado, tanto en su comportamiento como
en su cuantificación energética. Para la estimación, en primer lugar se debe efec-
tuar una recopilación de todos los datos de carácter histórico existentes en la zona
(archivos, lecturas de estaciones meteorológicas, etc.) que nos puedan orientar
acerca del viento existente. También se recopilan el tipo de vegetación, terreno,
topografía del terreno, tipo de erosión, etc. Una vez analizados estos datos, se pasa
a una segunda fase, determinante, donde se procede a la medición durante al me-
nos el ciclo de un año, de los siguientes parámetros:
a) Velocidad media durante el año.
b) Distribución de frecuencias de la velocidad.
c) Distribución de frecuencias en las diferentes direcciones o rosa de los vientos.
d) Velocidad del viento con la altura y la posición.
e) Valores extremos de las distintas ráfagas.
Para medir la fuerza del viento en función de los efectos apreciables sobre las co-
sas se emplea universalmente por meteorólogos y marineros la escala formulada
en 1806 por el almirante inglés, Sir Francis Beaufort. Esta escala está graduada de
0 a 12 y a cada uno de los números le corresponde la velocidad, tipo de viento y
estado de la mar, aproximados, que se indican en la tabla 6.4.
v cabulario
Nudo
Unidad de medida de velocidad
que se utiliza en navegación, ya sea
marítimao aérea. En meteorología
se utiliza para medir la velocidad de
los vientos. Se representa por el
símbolo kt y equivale a 0,5144 m/s.
ESCALA DE VELOCIDADES DE VIENTO
	Velocidades de viento a 10 m de altura
	Escala Beaufort
	Viento
	Estado de la mar
	m/s
	nudos
	
	
	Denominación
	Descripción
	0,0-0,4
	0,0-0,9
	0
	Calma
	Plana
	Mar como un espejo
	0,4-1,8
	0,9-3,5
	1
	Ligero
	Rizada
	Comienza a rizarse
	1,8-3,6
	3,5-7,0
	2
	
	Marejadilla
	Olas pequeñas sin romper
	3,6-5,8
	7-11
	3
	
	Marejada
	Olas comienzan a romper
	5,8-8,5
	11-17
	4
	Moderado
	Marejada fuerte
	Olas largas
	8,5-11
	17-22
	5
	Fresco
	Mar gruesa
	Olas moderadas-alargadas
	11-14
	22-28
	6
	Fuerte
	Mar brava
	Olas grandes con espuma
	14-17
	28-34
	7
	
	Mar deshecha
	Espuma dirección viento
	17-21
	34-41
	8
	Temporal
	Mar muy alta
	Olas altas. Espuma nube
	21-25
	41-48
	9
	
	Mar enorme
	Mar comienza a rugir
	25-29
	48-56
	10
	Fuerte temporal
	Temporal muy fuerte
	Mar blanco y ruge
	29-34
	56-65
	11
	
	Temporal violento
	Olas muy grandes. Ruge
	>34
	>65
	12
	Huracán
	Temporal huracán
	Aire lleno de espuma
T Tabla 6.4. Escala Beaufort de velocidad del viento y estado de la mar.