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2.3. La energía del viento o energía eólica.
2.3.1. Fórmulas generales; densidad del aire; potencia.
Desde un punto de vista práctico, es el contenido energético del viento lo que interesa aprovechar.
La energía cinética de una masa de aire que se desplaza se expresa como:
E = ½ m v2
Donde: m = masa del aire
v = velocidad del viento
El volumen de aire que pasa por un área A en la unidad de tiempo es A x v. La energía cinética por unidad de tiempo es por lo tanto la potencia disponible del viento y resulta:
P = ½ ρ.A .v. v2
P = ½ ρ. A. v3 [2]
Siendo: P = energía por unidad de tiempo (W, Watt);
A = área interceptada (m2);
ρ = densidad del aire (kg/m3);
v = velocidad del viento (m/s).
Esta es la denominada “ley del cubo”.
Por lo tanto, el contenido energético del viento depende de la densidad del aire y de su velocidad (figura 2-18). Como en cualquier gas, la densidad varía con la temperatura y la presión, y ésta, a su vez, con la altura sobre el nivel del mar (figura 2-19).
Figura 2-18: Evolución de la potencia contenida en el viento por unidad de superficie interceptada [W/m2], en función de la velocidad del viento para unas condiciones normales de presión y temperatura.
Figura 2-19: Variación de la densidad del aire en función de la altura sobre el nivel del mar.
La potencia media P(m) para un intervalo de tiempo t, se obtiene dividiendo la potencia máxima por t.
Esta potencia media es la que ha de ser tenida en cuenta cuando se trata de determinar la potencialidad eólica en un punto. En general se la expresa en Watts y a una altura establecida por ejemplo, 10 metros.
2.3.2. Distribución de velocidades en el tiempo; velocidades medias. Mapas eólicos.
En líneas generales, se puede afirmar que el problema de validez y representatividad de los datos de viento esta ligado a los tipos de observación y de instrumental y a los registros empleados, razón por la cual esos datos deben ser tratados en cada caso con las consideraciones correspondientes, a fin de obtener estadísticas que permitan determinar la energía eólica. Además, hay que tener en cuenta el hecho de que los datos son en gran parte discontinuos en la escala de tiempo.
Como se mencionó, para realizar una evaluación, debería efectuarse un análisis estadístico detallado de los datos.
Una forma de resolver el problema de la determinación de la energía disponible en un lugar determinado, es suponer una distribución que represente aproximadamente el comportamiento de la variable velocidad del viento en función del tiempo.
La función de distribución de velocidades nos proporciona el número de horas al año en que la velocidad del viento es inferior a un valor determinado. Con esta información y conociendo los parámetros de operación de una turbina eólica se puede evaluar la ganancia energética anual que puede generar.
La velocidad de diseño de la máquina será aquella a la que se obtenga una mayor ganancia energética, y conocida la velocidad de diseño se puede calcular la velocidad de régimen a la que ha de girar la turbina para que el rendimiento sea máximo.
Con los cálculos efectuados para distintas localizaciones pueden confeccionarse los denominados mapas eólicos. En una primera instancia, se indican para cada lugar, las velocidades medias anuales de viento, a la altura de las mediciones, correspondientes a series de mediciones que abarcan períodos de tiempo prolongados, preferentemente mayores a tres años.
Asimismo, luego de realizados los cálculos, puede confeccionarse para una región determinada, el mapa eólico de potencias medias meteorológicas a una altura determinada (por ejemplo 10 m) y, aplicando las fórmulas ya indicadas, trazar las líneas isopotenciales para otras alturas (por ejemplo 50m), obteniendo mapas eólicos como el indicado en las figuras 2-20 y 2-21, correspondientes a España y Estados Unidos, respectivamente.
En líneas generales, se puede afirmar que el problema de validez y representatividad de los datos de viento esta ligado a los tipos de observación y de instrumental y a los registros empleados, razón por la cual esos datos deben ser tratados en cada caso con las consideraciones correspondientes, a fin de obtener estadísticas que permitan determinar la energía eólica. Además, hay que tener en cuenta el hecho de que los datos son en gran parte discontinuos en la escala de tiempo.
Como se mencionó, para realizar una evaluación, debería efectuarse un análisis estadístico detallado de los datos.
Una forma de resolver el problema de la determinación de la energía disponible en un lugar determinado, es suponer una distribución que represente aproximadamente el comportamiento de la variable velocidad del viento en función del tiempo.
La función de distribución de velocidades nos proporciona el número de horas al año en que la velocidad del viento es inferior a un valor determinado. Con esta información y conociendo los parámetros de operación de una turbina eólica se puede evaluar la ganancia energética anual que puede generar.
La velocidad de diseño de la máquina será aquella a la que se obtenga una mayor ganancia energética, y conocida la velocidad de diseño se puede calcular la velocidad de régimen a la que ha de girar la turbina para que el rendimiento sea máximo.
Con los cálculos efectuados para distintas localizaciones pueden confeccionarse los denominados mapas eólicos. En una primera instancia, se indican para cada lugar, las velocidades medias anuales de viento, a la altura de las mediciones, correspondientes a series de mediciones que abarcan períodos de tiempo prolongados, preferentemente mayores a tres años.
Asimismo, luego de realizados los cálculos, puede confeccionarse para una región determinada, el mapa eólico de potencias medias meteorológicas a una altura determinada (por ejemplo 10 m) y, aplicando las fórmulas ya indicadas, trazar las líneas isopotenciales para otras alturas (por ejemplo 50m), obteniendo mapas eólicos como el indicado en las figuras 2-20 y 2-21, correspondientes a España y Estados Unidos, respectivamente.
Figura 2-21: Mapa eólico de España.
Figura 2-22: Mapa computarizado eólico de Estados Unidos, que muestra el potencial energético de dicho país. Según él, el viento podría proveer el doble de las necesidades energéticas. Las densidades de potencia están dadas para 10 y 50 metros de altura sobre la superficie.
2.3.3. Estudios del recurso energético eólico en el mundo y en la República Argentina en particular.
Diversos países se interesaron en el aprovechamiento del recurso energético eólico, para lo cual dispusieron la realización de mediciones y estudios estadísticos para conocer su potencial y confeccionar los mapas eólicos.
En particular, en nuestro país, la Comisión Nacional de Investigaciones Espaciales, publicó en 1982 una evaluación preliminar del recurso eólico, realizada a partir de los datos de las estaciones meteorológicas del S.M.N.
Posteriormente, en 1986, se publicó el Atlas del Potencial Eólico del Sur Argentino, realizado por el CREE (Centro Regional de Energía Eólica) de la provincia del Chubut, en convenio con el Centro Nacional Patagónico, dependiente del CONICET, cuyo autor es el Lic. Vicente R. Barros. Este trabajo utiliza los datos de las estaciones del S.M.N., que fueron comparados con mediciones automáticas efectuadas para contrastarlos, y luego de un análisis y depuración de los mismos, se realizó el cálculo de la potencia media meteorológica para cada estación y el cálculo del costo de la energía, utilizando para ello, los datos de un aerogenerador de 85 kW que se comercializaba en esa época.
Este trabajo permitió conocer que el recurso eólico de la Patagonia, al sur del paralelo 42, presenta condiciones excepcionales con respecto al resto del mundo; según él, es muy probable que más del 50% del territorio nacional por debajo de dicho paralelo, disponga de potencias meteorológicas superiores a 500 W/m2 a 50 metros de altura (figuras 2-22 y 2-23).
Diversos países se interesaron en el aprovechamiento del recurso energético eólico, para lo cual dispusieron la realización de mediciones y estudios estadísticos para conocer su potencial y confeccionar los mapas eólicos.
En particular, en nuestro país, la Comisión Nacional de Investigaciones Espaciales, publicó en 1982 una evaluación preliminar del recurso eólico, realizada a partir de los datos de las estaciones meteorológicas del S.M.N.
Posteriormente, en 1986, se publicó el Atlas del Potencial Eólico del Sur Argentino, realizado por el CREE (Centro Regional de Energía Eólica) de la provincia del Chubut, en convenio con el Centro Nacional Patagónico, dependiente del CONICET, cuyo autor es el Lic. Vicente R. Barros. Este trabajo utiliza los datos de las estaciones del S.M.N., que fueron comparados con mediciones automáticas efectuadas para contrastarlos, y luego de un análisis y depuración de los mismos, se realizó el cálculo de la potencia media meteorológica para cada estación y el cálculo del costo de la energía, utilizando para ello, los datos de un aerogenerador de 85 kW que se comercializaba en esa época.
Este trabajo permitió conocer que el recurso eólico de la Patagonia, al sur del paralelo 42, presenta condiciones excepcionales con respecto al resto del mundo; según él, es muy probable que más del 50% del territorio nacional por debajo de dicho paralelo, disponga de potencias meteorológicas superiores a 500 W/m2 a 50 metros de altura (figuras 2-22 y 2-23).
Figura 2-23: Mapa eólico del sur Argentino. Estudio de V. Barros, para una altura de 10 m.
Figura 2-24: Mapa eólico del sur Argentino. Estudio de V. Barros, para una altura de 50 m.
A partir de allí, comenzaron a realizarse en diversas provincias estudios más detallados del potencial eólico (mencionándose entre otras, la Pcia. de Bs. As, Chubut, La Pampa y Santa Cruz.
Para evaluar el recurso en las provincias del Chubut y La Pampa, el CREE desarrolló programas específicos de computadoras (Meso Map y Wind Map) que utilizan modelos matemáticos tridimensionales de orografía, rugosidad y viento, que fueron calibrados con mediciones efectuadas con anemómetros.
Las figuras 2-18, 2-19, 2-20 fueron extraídas del libro La Energía Eólica. Tecnología e historia de J.C. Cádiz Deleito, con ilustraciones de J. Ramos Cabrero.
La figura 2-22, fue extraída de un Prospecto publicado por el DOE.
Las figuras 2-23 y 2-24, fueron extraídas del Atlas del Potencial Eólico del Sur Argentino, de V. Barros.
Para evaluar el recurso en las provincias del Chubut y La Pampa, el CREE desarrolló programas específicos de computadoras (Meso Map y Wind Map) que utilizan modelos matemáticos tridimensionales de orografía, rugosidad y viento, que fueron calibrados con mediciones efectuadas con anemómetros.
Las figuras 2-18, 2-19, 2-20 fueron extraídas del libro La Energía Eólica. Tecnología e historia de J.C. Cádiz Deleito, con ilustraciones de J. Ramos Cabrero.
La figura 2-22, fue extraída de un Prospecto publicado por el DOE.
Las figuras 2-23 y 2-24, fueron extraídas del Atlas del Potencial Eólico del Sur Argentino, de V. Barros.