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¿Cómo es el comportamiento local del viento?

¿Cómo es el comportamiento local del viento?

La circulación general de la atmósfera da lugar a lo que se conoce como los “vientos geostróficos”. Estos vientos no están apenas influenciados por el rozamiento con la superficie terrestre o por la presencia de obstáculos. En general, se considera que el viento geostrófico se percibe por encima de los 1.000 m de altitud; por ello, solo es posible medirlo utilizando sondas atmosféricas a bordo de globos.

Sin embargo, en el caso de la energía eólica, los dispositivos de aprovechamiento del viento (aerogeneradores) están situados muy cerca del suelo, con el rotor a una altura de, a lo sumo, 120 m. En esta zona, el viento sufre la acción del rozamiento, por lo que se ve frenado. Además, en función de las características de la orografía, la influencia de los obstáculos (como cerros, hondonadas, etc.) puede ser considerable. También puede modificar de manera significativa la velocidad y la dirección del viento la presencia de edificios en zonas urbanas.

Brisas de montaña y brisas marinas

Otros fenómenos característicos con una influencia notable en el viento a nivel local son:

  1. Las brisas de montaña. En el primer caso, se trata del movimiento de masas de aire que aparecen en las cercanías de grandes montañas (figura siguiente). Son consecuencia del calentamiento desigual de las laderas en función de la altura. Las brisas de montaña fluyen desde las cumbres hacia los valles durante las noches y desde las partes bajas hacia las altas durante el día. Por las noches, el aire de lo alto de la montaña se enfría antes, por la menor inercia térmica de las cumbres con respecto a la parte baja. El aire fresco baja por la ladera hacia los valles, dando lugar a la brisa nocturna. Por el contrario, durante el día, es el aire cálido de los valles el que asciende por la ladera hacia lo alto de la montaña, empujado por el viento fresco que cae hacia la zona de los valles.
  2. Las brisas marinas. Con respecto a las brisas marinas, el fenómeno se debe al calentamiento diferencial que se produce en el mar y en la tierra, debido al comportamiento térmico diferente de ambos medios. Durante el día, la brisa sopla desde el mar hacia la orilla, debido al mayor calentamiento del medio terrestre con respecto al agua de mar (hay que recordar que el calor específico del agua es muy elevado, lo que significa que una masa del líquido tiene mucha inercia térmica, es decir, responde muy lentamente ante variaciones de temperatura ambiente). Por ello, el aire cálido de la orilla asciende y es sustituido por el aire fresco procedente del mar. Por la noche, la tierra se enfría antes que el mar por su menor inercia térmica, por lo que el flujo de las brisas se invierte, es el aire cálido en contacto con el agua el desplazado por el fresco procedente de la orilla. Así, la brisa nocturna tiene dirección de la costa hacia el mar.

Variación del viento con la altura

Por debajo del nivel del viento geostrófico, la influencia del rozamiento con el suelo en la velocidad se hace patente. Por ello, dicha velocidad no se mantiene constante, a medida que nos vamos acercando al suelo, el viento es frenado por efecto del rozamiento con el mismo. La variación del viento con la altura se puede calcular de manera aproximada mediante diversos métodos analíticos.

En este sentido, es habitual utilizar una aproximación exponencial para estimar el aumento de la velocidad con la altura, de acuerdo con la fórmula:

Vy = Vo (Y/Yo)α 

Donde:

  • V es la velocidad del viento a la altura
  • y0 una altura de referencia a la que la velocidad es conocida, V0.
  • α es el llamado “coeficiente de rugosidad”, exponente que depende fuertemente de la orografía.

Sus valores varían típicamente entre 0,1 y 0,4, siendo mayor cuanto más compleja es la orografía.

Así, en terrenos poco accidentados, α adquiere valores alrededor de 0,1, lo que en términos de la velocidad del viento significa que la variación con la altura es muy reducida. En zonas muy escarpadas, o con muchos obstáculos (por ejemplo, en ciudades), α puede alcanzar valores cercanos a 0,4 (es decir, la velocidad del viento varía mucho con la altura).

Cuando se realiza una campaña de medidas de viento en un determinado emplazamiento, lo ideal sería realizar la medida de velocidad a la altura a la que se van a colocar las turbinas eólicas, pero esto no es siempre posible. Sin embargo, sí es posible medir a una altura normalizada extrapolar a la altura de la turbina utilizando la aproximación exponencial.

La variación del viento con la altura tiene una gran influencia en el funcionamiento de un sistema eólico, dado que la producción de energía es mayor a mayor altura. Por ello, desde un punto de vista meramente energético, los aerogeneradores han ser de tan grandes como sea posible. Sin embargo, los aerogeneradores grandes son más caros y también lo es la propia instalación y el transporte.

Por lo tanto, el coste final de toda la instalación también será mayor. En consecuencia, en el diseño de una instalación eólica es fundamental optimizar el sistema, encontrando el mejor compromiso entre elevada producción y bajos costes.

Variaciones temporales del viento

El viento sufre también variaciones temporales importantes, que dan lugar a una de sus características fundamentales: su gran aleatoriedad. Estas variaciones pueden producirse en intervalos más o menos largos de tiempo (variaciones diarias, mensuales, estacionales, anuales…), o también pueden ocurrir en forma de variaciones bruscas. Este es el caso de las turbulencias, que son oscilaciones del viento alrededor de los valores medios, que tienen un carácter impredecible y desordenado.

Con respecto a las variaciones a largo plazo, cabe destacar las debidas a la estacionalidad. Y es que el recurso eólico disponible oscila a lo largo del año, con la sucesión de las estaciones. En general, los periodos de tiempo estable, como el verano, son menos propicios para la generación eólica. Por el contrario, los meses de invierno suelen ser más ventosos.

En el caso de las turbulencias, aunque su influencia en la producción de energía a largo plazo no es importante, sí pueden tener cierta relevancia en otros aspectos, como en la seguridad o en la durabilidad de los sistemas eólicos. Por ejemplo, los cambios bruscos de viento pueden provocar fuertes cargas sobre los aerogeneradores, que provocan fatiga mecánica en los materiales, poniendo a prueba su resistencia estructural. Además, pueden dar lugar a problemas en los sistemas de control y orientación y oscilaciones momentáneas en la potencia eléctrica producida.

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