Variación del viento con la altura y efectos orográficos

¿Qué es el viento? Origen del viento Tipos de viento Variación del viento con la altura Efectos de la orografía en el viento

Temario

Conocer qué son los vientos, de qué forma se originan, cuáles son los distintos tipos que podemos encontrar. Además, poder identificar cuales son las variaciones que tienen los vientos con las distintas alturas, como así mismo indicar cuáles son los efectos ortográficos sobre los vientos.

Objetivos

¿Que es el Viento?

Movimiento de aire que está presente en la atmosfera.

Producido por causas naturales.

Fenómeno meteorológico. Se puede medir en:

Km/h M/s Nudos Etc.

La causa de los vientos está en los movimientos de rotación y de traslación terrestres.

La radiación del espectro IR reflejada por la superficie terrestre y acuática de la Tierra calientan el aire.

El desigual calentamiento del aire da origen a las diferencias de presión y esas diferencias de presión dan origen a los vientos.

Origen de los vientos

De acuerdo con la escala o dimensión del recorrido de los vientos, podemos identificar 3 tipos:

-Vientos globales-Vientos regionales -Vientos locales

Tipos de viento

Mantienen su dirección durante todo el año.

Circuitos que combinan movimientos verticales y horizontales de las masas de aire.

Circulan por todo el planeta.

Son los alisios, contralisios y circumpolares.

Vientos globales

Vientos globales

Son determinados por la distribución de tierras y mares, así como por los grandes relieves continentales.

Son periódicos o estacionales.

Invierten su dirección con el paso de días y noches o con la sucesión de las estaciones.

Son las brisas, los ciclones, anticiclones y monzones.

Vientos regionales

Particularidades orográficas de cada región, combinadas con ciertas situaciones meteorológicas dan lugar a vientos locales característicos. En Chile tenemos:

-El Terral, el Puelche, el Raco y la Puigua

Vientos locales

El Puelche o Puihua es el viento que sopla desde la Cordillera hacia el mar (Este a Oeste) desde la VIII Región al sur.

El viento Terral en el valle del río Elqui y el Raco, en la parte baja del Cajón del Maipo, son vientos secos y cálidos que descienden de la cordillera.

Vientos locales

Orígenes y Características del viento.

El viento se genera por el calentamiento desigual que sufre la tierra.

El calentamiento es más intenso en el ecuador.

El aire caliente sube, para circular por la parte superior de la atmósfera y después caer en las zonas más frías, en lo que se llama fenómeno de convección.

Orígenes y Características del viento.

Viento Geostrófico

• Se encuentra por encima de la capa límite terrestre, de unos mil metros de altura, es una aproximación física al viento real. En él se considera que existe un equilibrio entre la fuerza de Coriolis y la fuerza generada por el gradiente de presión o fuerza bárica .

Los vientos están mucho más 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 obstáculos. Las direcciones del viento cerca de la superficie varían entre unos 15 ⁰ y 30⁰ de la dirección del viento geostrófico.

Viento de superficie

A mayor altura hay mayor velocidad del viento y por lo tanto la potencia producida es mayor.

Cada pala de la aeroturbina se encuentra con viento variable, por lo que se generan cargas alternativas.

Variación del viento con la altura

El viento mientras este a mayor altura, está sujeto a un equilibrio por fuerzas de presión y de Coriolis.

El viento mientras este llegando al suelo sufre frenado y rozamiento por el mismo.

Variación del viento con la altura

Caracterización del vientoExisten tres componentes del viento que determinan su energía disponible, estos son: la velocidad y dirección del viento, sus características y, en menor grado, la densidad del aire.

Velocidad del viento: La potencia eólica disponible es proporcional al cubo de la velocidad del viento.

La velocidad del viento se incrementa al ascender a una mayor altura sobre la superficie.

Caracterización del viento

Dirección del viento: esta definida por la dirección de donde sopla el viento (de donde proviene) no para donde se dirige. Así pues un viento del Oeste es un viento que se dirige hacia el este viniendo del oeste.

La información sobre la dirección del viento y su intensidad se suele adquirir de La Rosa de los Vientos.

Caracterización del viento

Caracterización del viento

Una rosa de los vientos es un diagrama polar que puede ser construido mostrando el porcentaje del tiempo durante el cual el viento ha estado soplando en una dirección especifica.

Densidad del aire: la energía cinética del viento es directamente proporcional de la densidad del aire, es decir, de su masa por unidad de volumen.

A presión atmosférica normal y a 15 [°C] la densidad del aire es 1,225 [Kg/m3] (condición estándar).

Esta densidad aumenta ligeramente con el aumento de humedad y disminuye con el aumento de la temperatura.

A grandes altitudes la presión del aire es más baja y el aire es menos denso.

Caracterización del viento

Para diseño y emplazamiento eólico se debe tener en cuenta la configuración orográfica.

Obstrucciones (rugosidad) en la superficie terrestre afectan la calidad del recurso eólico en una zona.

Su intensidad se ve disminuida y fluye de manera turbulenta al circundar la superficie terrestre y al encontrar a su paso obstáculos, como árboles, construcciones, etc.

Rugosidad se caracteriza mediante dos parámetros: Clase de Rugosidad y Longitud de Rugosidad.

Efectos Orográficos y de estelas.

Clase de Rugosidad: escala cualitativa de las condiciones del terreno, donde 0 corresponde al caso ideal y 4 al terreno con máxima oposición al viento.

Longitud de Rugosidad: cuantifica en metros la significancia de los obstáculos.

Dependiendo del tipo de rugosidad se condiciona la variación de la velocidad del viento con la altura.

Efectos Orográficos y de estelas.

Efectos orográficos

El viento se mueve a velocidades más bajas conforme nos acercamos al nivel del suelo (cizallamiento del viento).

Efectos aceleradores: Cuando el viento incide un paso estrecho o entre montañas, el aire tiende a comprimirse produciéndose un efecto acelerador conocido como "efecto túnel".

En cambio, cuando sopla fuera de ellas se vuelve menos denso y veloz, este fenómeno se denomina “efecto de la colina”.

Efectos Orográficos

Turbulencias: las partículas de aire se desplazan de forma desordenada, tanto con respecto a su dirección como a su intensidad.

Conociendo el mecanismo de formación de estos fenómenos, siempre será posible preverlos.

Efectos Orográficos

Causas:

-Desviación violenta del viento debido al relieve u obstáculos de la superficie

- Calentamiento del suelo, las capas de aire en contacto con él se vuelven inestables, creando movimientos de aire caliente ascendente, compensados por otros de aire frío descendente que viene a ocupar su lugar (turbulencia térmica).

- Cualquier aeronave, desde un ala delta a un avión de pasajeros, produce una estela turbulenta; éstas crecen con el peso del aparato que las producen.

- Masas de aire que aire caliente que se mueven con dirección y velocidades diferentes se encuentran, produciendo turbulencias de cizallamiento.

Efectos Orográficos

Efectos Orográficos

Efectos Orográficos

Al pasar el viento por la turbina se crea un estela turbulenta detrás de esta.

Interferencia de una turbina sobre otra trae como resultado una disminución de la energía extraída.

A este fenómeno se le conoce como pérdidas aerodinámicas del parque.

Efecto de estela

Para evitar una turbulencia excesiva lo ideal es separar las turbinas lo máximo posible en la dirección de viento dominante.

Efecto de estela

Método para ubicación correcta de

aerogeneradores

Para conocer la velocidad real de un lugar debemos realizar un Perfil de viento, es decir, una representación grafica de la variación de la velocidad con la altura o distancia.

Debemos incluir en el análisis los factores orográficos antes mencionados.

Conclusiones

Datos necesarios para la creación de un perfil del viento:

Cálculo de la velocidad del viento a diferentes altura.

Coeficiente de fricción para diferentes tipos de terreno.

Rugosidad y valores de coeficientes de rugosidad para diferentes tipos de terreno.

Clases y longitudesde rugosidad dadas por la Danish Wind Industry Association.

Conclusiones

Lo presentado en este trabajo fue un análisis preliminar de lo que debe ser tomado en cuenta a la hora de pensar en un proyecto con generadores eólicos o la instalación de instrumentos de medición.

La velocidad del viento es variable, así como también los coeficientes de rugosidad y fricción cambian con el lugar, la hora, la temperatura, altura, dirección del viento, entendiéndose por ende una variabilidad en la energía que podemos llegar a generar.

Conclusiones