Energia Eolica

Energía Eólica

Comportamiento del recurso eólico

Un esquema de vientos generales es el siguiente:

Entre 90°N y 60°N, aire ártico (muy frío) (Circulación de Rossby)

Entre 60°N y 40°N, aire polar (frío)

Entre 40°N y 5°N, aire tropical (templado)

Entre 5°N y 5°S, aire ecuatorial (cálido)

En el límite de estas diferentes masas de aire existen zonas conflictivas o zonas frontales como:

El frente ártico entre el aire ártico y el aire polar

El frente polar entre el aire polar y el aire tropical

La zona de convergencia intertropical, entre el aire tropical y el aire ecuatorial, en la que soplan vientos regulares (alisios) del Nordeste, contorneando el anticiclón de las Azores, (Corriente de Hadley).

Las diferentes masas de aire, así como los ejes de depresión (60°) y anticiclónicos (30°), se desplazan según las estaciones en el sentido del movimiento aparente del Sol; en el hemisferio Norte existe, en invierno, una traslación general hacia el Norte, y en verano hacia el Sur. En el hemisferio Sur sucede al revés; estos vientos se denominan monzones.

No obstante, las condiciones generales de los vientos son modificadas localmente por temporales y gradientes de temperatura originados por los desiguales calentamientos de superficies de tierra y agua o por diversos accidentes orográficos; se puede considerar que los vientos vienen dirigidos por determinados centros de acción de la atmósfera, siendo lo más frecuente que su desplazamiento sea en sentido horizontal.

La atmósfera no es homogénea, estando fraccionada en un número bastante grande de masas de aire más o menos calientes; la transición entre dos masas de aire puede ser lenta y continua o, por el contrario, brusca, constituyendo entonces una superficie frontal que forma una cierta pendiente en la que el aire caliente, más ligero, está por encima del aire frío.

TIPOS DE VIENTOS

En general, los desplazamientos

verticales del aire son pequeños en relación a los desplazamientos horizontales, por lo que se

puede considerar que la dirección del desplazamiento del viento es sensiblemente horizontal y se determina

y refiere mediante el ángulo que conforma respecto a una dirección fija, que es la del Norte geográfico.

El viento sopla de las altas a las bajas presiones

a) Alta presión en el Mar de Alborán y baja presión en el Golfo de Cádiz.

Viento de Levante con efecto de embudo en el Mar de Alborán y difluencia en el Golfo de Cádiz

b) Alta en el Golfo de Cádiz y baja en el Mar de Alborán. Viento de Poniente.

Entrada abierta en el Golfo de Cádiz, confluencia en el Estrecho y efecto embudo en el Mar de Alborán.

Vientos de Levante

a) Componente E-NE. Anticiclón sobre España y Portugal Bajas presiones en Marruecos-Canarias.

Situación en zeta. AZB

b) Componente E. Anticiclón con eje horizontal sobre el Golfo de Vizcaya y mitad Norte de España.

Bajas presiones sobre Marruecos.

c) Componente E. Altas presiones sobre el Norte de España, Baleares y Mediterráneo occidental.

Bajas entre Canarias y el Golfo de Cádiz. Situación en ese. BSA

Vientos de Poniente

a) Componente W-NW. Vaguada en forma de V en altura, cruzando sobre la Península.

b) Componente W. Profunda borrasca cerrada a todos los niveles sobre el Golfo de Vizcaya, con marcados gradientes de presión en superficie.

c) Componente W-SW. Baja presión pasando desde el Golfo de Cádiz hacia las Baleares.

Arriba aparece una vaguada en forma de U.

La dirección del viento a nivel del suelo, medida generalmente a algunos metros sobre el mismo, está

fuertemente influenciada por la situación topográfica del lugar considerado.

La frecuencia de las direcciones no es siempre una característica general en consonancia con la situación isobárica media como puede ser la posición respectiva media de los anticiclones y de las depresiones en el transcurso de los años; los vientos particulares y locales son la prueba.

Brisas.- Una aplicación del axioma anterior es la justificación del movimiento del aire tierra-mar en las costas, o tierra-agua en los lagos durante el día y la noche; en las faldas de las montañas el aire se calienta durante el día y se va hacia las alturas, mientras que en la noche el aire frío, más pesado, baja hacia los valles.

Vientos catabáticos y anabáticos.- El viento catabático, es el producido por el descenso de aire fresco desde regiones elevadas a otras más bajas, en forma de brisas, a través de laderas y valles.

Este tipo de viento presenta poca relación con las isobaras, puesto que viene regido principalmente por la dirección de los valles a través de los cuales desciende. El viento anabático es el que presenta una componente vertical ascendente, siendo el término opuesto a catabático.

Föhn.- Es un viento fuerte, seco y cálido, que se produce en ocasiones en la ladera de sotavento (contraria a la que sopla el viento) de los sistemas montañosos; un föhn fuerte se presenta precedido por un sistema de bajas presiones que avanza ocasionando fuertes vientos en la troposfera media y alta.

Cuando este sistema se acerca a una montaña, el aire sube por la ladera de barlovento, enfriándose por debajo de la temperatura de condensación, formando nubes que se mantienen adosadas a las cimas de las montañas, que provocan precipitaciones, por lo que el contenido de humedad del aire baja y así el aire que desciende por sotavento es seco, calentándose en el descenso a razón de 10°C por km

También influye grandemente en la velocidad del viento la forma del relieve de la superficie de la tierra por donde discurre la corriente. Superficies de pendientes suaves y desnudas de obstáculos son los mejores lugares de potencial eólico, puesto que se van juntando las líneas de corriente del fluido y hacen que su velocidad aumente

VELOCIDAD DEL VIENTO

El viento viene definido por dos parámetros esenciales que son, su dirección y su velocidad. La dirección del viento y su valoración a lo largo del tiempo conducen a la ejecución de la llamada rosa de los vientos. La velocidad media del viento varía entre 3 y 7 m/seg, según diversas situaciones meteorológicas; es elevada en las costas, más de 6 m/seg, así como en algunos valles más o menos estrechos. En otras regiones es, en general, de 3 a 4 m/seg, siendo bastante más elevada en las montañas, dependiendo de la altitud y de la topografía.

La velocidad media del viento es más débil durante la noche, variando muy poco, aumenta a partir de la salida del Sol y alcanza un máximo entre las 12 y 16 horas solares.

Para realizar la medida de las velocidades del viento se utilizan los anemómetros; existen muy diversos tipos de estos aparatos, que en un principio se pueden clasificar en anemómetros de rotación y anemómetros de presión.

El anemómetro de rotación más característico es el de Papillon, que es un molino de eje vertical con cazoletas en forma de semiesfera o el de aletas oblicuas de Jules Richard.

El anemómetro de presión se basa en el método del tubo de Pitot.

La dirección del viento se comprueba mediante una veleta, y la velocidad se mide con un anemómetro. Según sea la velocidad se pueden considerar tres tipos de definiciones:

-Viento instantáneo; se mide la velocidad del viento en un instante determinado.

-Viento medio aeronáutico; se mide la velocidad media durante 2 minutos

-Viento medio meteorológico; se mide la velocidad media durante 10 minutos

Hay que distinguir también entre golpe de viento y ráfagas

La ráfaga es un aumento brutal y de corta duración de la velocidad del viento, propio de tormentas y borrascas.

El golpe de viento concierne a la velocidad media del viento, cuando sobrepasa los 34 nudos, 62 km/hora, y es una señal de advertencia, sobre todo para la navegación marítima. Un golpe de viento se corresponde con una velocidad media del viento comprendida entre 75 y 88 km/hora.

Las fuentes eólicas más interesantes se encuentran en las costas marinas y en determinados pasos entre montañas; existen zonas en las que se puede disponer de más de 3.000 kWh/m2 año, y en otras puede que no se llegue a los 200 kW/m2 año.

Ley exponencial de Hellmann.-

La velocidad del viento varía con la altura, siguiendo aproximadamente una ecuación de tipo estadístico, conocida como ley exponencial de Hellmann, de la forma:

En la que vh es la velocidad del viento a la altura h, v10 es la velocidad del viento a 10 metros de altura y α es el exponente de Hellmann que varía con la rugosidad del terreno, y cuyos valores vienen indicados en la Tabla

En una máquina eólica se pueden considerar tres velocidades del viento características:

La velocidad de conexión (v conexes ) la velocidad del viento por encima de la cual se genera energía. Por debajo de esta velocidad toda la energía extraída del viento se gastaría en pérdidas y no habría generación de energía.

La velocidad nominal (v nom ) es la velocidad del viento para la cual la máquina eólica alcanza su potencia nominal. Por encima de esta velocidad la potencia extraída del viento se puede mantener constante.

La velocidad de desconexión (v emb) es la velocidad del viento por encima de la cual la máquina eólica deja de generar, porque se embala; los sistemas de seguridad comienzan a actuar frenando la máquina, desconectándola de la red a la que alimenta.

ENERGÍA ÚTIL DEL VIENTO

En una corriente de aire de densidad ρ y velocidad v , la potencia eólica disponible que atraviesa una superficie A y hace un recorrido L en el tiempo t, viene dada por la expresión:

De estos conceptos se obtienen las siguientes consecuencias:

a) La N viento varía fuertemente con la velocidad v , siendo preciso hacer las mediciones de v en el lugar exacto donde se quiera instalar la aeroturbina.

b) La N viento varía con la densidad del aire ρ, a causa de las variaciones de presión y temperatura, en valores que pueden oscilar de un 10% a un 15% a lo largo del año.

Aplicaciones

Ventajas y desventajas

Representan menos polución, menor cantidad de lluvias ácidas y menos emisiones que provocan el efecto invernadero

Es abundante

Es segura, al depender del calor del sol podemos considerar a este recurso como inagotable

Es de costo aceptable

Es estable

Alta adaptabilidad, los sistemas eólicos son construidos de cualquier tamaño adaptándose a las necesidades energéticas.

Aerogeneradores

Aerogeneradores

Aerogeneradores

Ventajas y desventajas

Suministro eficaz y confiable de electricidad

Es una tecnología que se ha ido mejorando

Larga durabilidad

Puede producir fuerte impacto visual

Aerobombas

Aerobombas

Ejemplos “Grupo”

Molinos

Molinos

Ventajas y desventajas

Facilitan el trabajo del hombre en la molienda de grano, por ejemplo

No necesitan combustible

Puede ser igual o más potente que las máquinas que usan combustible

Son fiables

No necesitan mantenimiento

De grande instalación

Tecnología en desuso

Extractores

Extractores

Energía Mareomotriz

La energía solar que incide anualmente sobre la superficie terrestre es del orden de 6.1014 MW hora.

Los océanos, con una superficie de 361 millones de km2 y un volumen de 1370 km3, actúan como sistemas colectores y de almacenamiento, lo cual se manifiesta de diversas formas, olas (energía eólica), y gradientes térmicos, gradientes salinos y corrientes marinas, (energía solar maremotérmica). Las más estudiadas son las debidas a las mareas, olas y térmica marina, estando las de las corrientes y gradientes salinos mucho menos desarrolladas.

A estas formas de energía hay que sumar la de las mareas (energía maremotriz) debida a la atracción gravitatoria de la Luna y el Sol, y a la rotación de la Tierra, 3.106 MW.

El movimiento de las mareas está determinado por la fuerza centrifuga, el centro de gravedad del planeta, los vientos, la profundidad del lecho marino, la cercanía del sol y la luna

La fuerza centrífuga originada por el movimiento de rotación de la Tierra al recorrer su órbita alrededor del centro de gravedad del sistema Tierra-astro es la misma en cualquier punto del planeta, ya que no depende de la distancia. La fuerza centrífuga aumenta la altura del nivel del mar que está más lejos de la Luna, al tiempo que desciende el nivel del mar en la parte contraria.

La causa de las mareas deriva de la aplicación de las dos fuerzas, atractiva y centrífuga, que en el centro de gravedad de la Tierra se neutralizan, es decir, la atracción de la Luna queda compensada por la fuerza centrífuga engendrada por la revolución en torno al centro de gravedad del sistema Tierra-Luna, ya que de no ser así, la atracción provocaría un acercamiento progresivo entre ellas.

En el mundo, como hemos indicado, existen un número limitado de lugares donde es posible la explotación

de la energía de las mareas; para ello se requiere de un amplitud de marea mínima de 5 metros, de

una bahía, ría o estuario lo suficientemente amplio para que la cantidad de agua a trasvasar durante

las mareas sea grande y de la facilidad de construir un dique que separe el estuario del mar, para contener

y cerrar el paso del agua. El estuario se llena durante la pleamar y se vacía durante la bajamar a

través de unas turbinas y compuertas auxiliares.

CICLOS DE FUNCIONAMIENTO DE LAS CENTRALES MAREMOTRICES

Ciclos con turbinas de simple efecto.-

Se dispone de un embalse único, siendo los modos operativos los siguientes:

Generación durante el reflujo de la marea, (bajamar). El llenado del embalse se efectúa con las compuertas abiertas y el vaciado con turbinación.

Generación durante el flujo, (pleamar). El llenado del embalse se efectúa con turbinación y el vaciado con las compuertas abiertas. Es menos eficiente que el anterior; porque el embalse trabaja con niveles más bajos y la capacidad de almacenamiento es menor.

En consecuencia generan sólo durante la bajamar, vaciándose el embalse, o sólo durante la pleamar, llenándose el embalse; estas operaciones requieren de una turbina hélice de flujo axial y alta velocidad específica.

Durante el vaciado del embalse se realiza lo siguiente:

Cuando sube la marea se abren las compuertas y el embalse se llena

Cuando comienza a bajar la marea se cierran las compuertas y se espera un tiempo, del orden de 3 horas, para alcanzar una diferencia de nivel adecuada entre el mar y el embalse

A continuación, durante 5 ó 6 horas, se hace pasar el agua por las turbinas generando energía eléctrica

Ciclos con turbinas de doble efecto.-

La generación de energía se efectúa con ambas mareas, lo que exige que las turbinas operen eficazmente con un determinado caudal de agua en cualquier dirección, funcionando tanto durante el llenado, como durante el vaciado del embalse.

Se pueden utilizar dos tipos de turbinas:

Reversibles

No reversibles, con un sistema de canales y compuertas, que es un procedimiento complejo y caro

La energía utilizable es menor debido a que las diferencias de niveles entre el embalse y el mar son menores que en los ciclos de simple efecto, reduciéndose el rango de variación del nivel embalsado, y disminuyendo también el rendimiento al no ser posible optimizar las turbinas y el caudal, pero aún así el factor de utilización de la planta es mayor, lo que proporciona un 18% más de energía que en los casos de simple efecto. Los tiempos de funcionamiento son del orden de 6 a 7 horas por marea, lo que supone entre 12 y 14 horas diarias de generación de energía, con tiempos de espera entre 2 y 3 horas por marea.

Ciclos de acumulación por bombeo.-

Generan energía con ambas mareas y disponen de algún tipo de almacenamiento por bombeo, lo que obliga a utilizar turbinas que sean capaces de funcionar no sólo como tales, sino también como bombas, cuando sean accionadas por los alternadores. El nivel de generación y la flexibilidad operativa se mejoran, lo que proporciona una mayor eficiencia económica, es decir, permiten un aprovechamiento más racional y rentable de la central, pudiendo llegar el aumento en la generación al 10%.

Las turbinas tienen un coste mayor, y sería necesario incluir, a veces, un equipo para el arranque de la bomba

TÉCNICAS QUE APROVECHAN LA ENERGÍA DE LAS OLAS

Los convertidores OWCs son dispositivos que transforman la energía del oleaje en energía útil; tienen

que ser capaces de resistir los embates del mar y de funcionar eficientemente para las amplias gamas

de frecuencia y amplitud de las olas.

Son muchas las modalidades de OWCs que permiten obtener energía del oleaje, aunque no está todavía

claro cuáles son las opciones más favorables, realizándose el aprovechamiento de la energía de las

olas en base a algunas de las siguientes metodologías:

Conversión primaria.- Consiste en la extracción de la energía de las olas mediante sistemas mecánicos

o neumáticos, convirtiendo el movimiento de las olas (oleaje), en el movimiento de un cuerpo o en

un flujo de aire. La energía del oleaje se puede aprovechar para mover flotadores en sentido vertical y en

rotación.

En aguas poco profundas se pueden aprovechar los movimientos horizontales del oleaje mediante

flotadores o estructuras fijas. La energía de la ondulación del movimiento de las partículas del agua de

una ola, se puede extraer mediante dispositivos tipo noria.

Conversión secundaria.- Consiste en la conversión de movimientos mecánicos o neumáticos en

energía utilizable, generalmente electricidad. Los medios utilizados para ello son turbinas neumáticas e

hidráulicas, dispositivos de transmisión mecánica, y de inducción magnética; a veces, el sistema se diseña

exclusivamente para la desalinización del agua.

TÉCNICAS DE UTILIZACIÓN ENERGÉTICA DEL OLEAJE.-

Las técnicas de utilización energética del oleaje aprovechan estos fenómenos básicos que se producen en las olas, y son:

Empuje de la ola.- En aguas poco profundas la velocidad horizontal de las olas no varía con la profundidad; la energía de las olas se puede absorber mediante un obstáculo que transmite la energía a un pistón; es un sistema poco usado

Variación de la altura de la superficie de la ola.-

Situando estructuras flotantes que se mueven con las olas, sintonizadas de manera que puedan captar su energía. Se dispone de un gran número de los mismos para capturar la energía, de forma similar a la de un receptor de ondas de radio, ya que se basan en que cualquier proceso que pueda generar olas, también sirve para extraer su energía.

Su pequeño tamaño resulta ventajoso y permite su fabricación en serie. La mayoría de estos aparatos utilizan el efecto de bombeo que proporciona un flotador. Sus inconvenientes derivan principalmente de la fiabilidad de los caudales y de la interconexión eléctrica. Se les puede considerar aparatos de segunda generación.

Variación de la presión bajo la superficie de la ola.-

Son los sistema de columna de agua oscilante; consisten en una cámara abierta al mar, que encierra un volumen de aire que se comprime y expande por la oscilación del agua inducida por el oleaje; el aire circula través de una turbina que puede ser bidireccional. Se les puede considerar aparatos de primera generación.

Los sistemas activos son aquellos en los que los elementos del dispositivo, al moverse a impulsos del oleaje, generan energía aprovechando el movimiento relativo entre sus partes fijas y móviles.

Los sistemas pasivos son aquellos en los que la estructura permanece inmóvil, generándose energía directamente, a partir del propio movimiento de las partículas de agua.

Ventajas y desventajas

Ventajas de la energía maremotriz.- Es autorenovable, no contaminante, silenciosa, bajo costo de materia prima, no concentra población, disponible en cualquier clima y época del año, no presenta problemas de sequía como la hidráulica, dado que el promedio de amplitudes de marea prácticamente se puede considerar constante a lo largo del año, etc.

Desventajas.- Impacto visual y estructural sobre el paisaje costero, localización puntual que depende de la amplitud de las mareas, traslado de energía muy costoso, efecto negativo sobre la flora y la fauna aunque con el tiempo aparecen nuevas especies, limitada, etc.

Centrales hidroeléctricas

¿Para qué sirve una central hidroeléctrica?

La función de una central hidroeléctrica es utilizar la energía potencial del agua almacenada y convertirla, primero en energía mecánica y luego en eléctrica.

Partes y funcionamiento de las centrales hidroeléctricas:

El agua se transporta por unos conductos o tuberías forzadas, controlados con válvulas para adecuar el flujo de agua con respecto a la demanda de electricidad. En la figura se aprecia cómo el agua que llega con alta presión a la turbina, incide en sus álabes, haciendo girar su eje, el cual va conectado a un generador produciendo en éste energía eléctrica. Luego el agua sale por los canales de descarga. Los generadores están situados justo encima de las turbinas y van conectados con árboles verticales. El diseño de las turbinas depende del caudal de agua; las turbinas Francis se utilizan para caudales grandes y saltos medios y bajos, y las turbinas Pelton para grandes saltos y pequeños caudales.

Principales componentes de una Central Hidroeléctricas

Presa de hormigón

Presa de tierra

Tipos de turbinas

PELTON

1.-Rodete

2.-Cuchara

3.-Aguja

4.-Tobera

5.-Conducto de entrada

6.-Mecanismo de regulación

7.-Cámara de salida

Tipos de turbinas

KAPLAN

Tipos de turbinas

FRANCIS

Alternadores

Tipos de centrales hidroeléctricas

C.H. fluyente.

C.H. con embalse de reserva.

C.H. de bombeo.

Central hidroeléctrica fluyente

Central hidroeléctrica con embalse de reserva

En este tipo de proyecto se embalsa un volumen considerable de líquido "aguas arriba" de las turbinas mediante la construcción de una o más presas que forman lagos artificiales.El embalse permite graduar la cantidad de agua que pasa por las turbinas. Del volumen embalsado depende la cantidad que puede hacerse pasar por las turbinas.

Centrales hidroeléctrica de bombeo

Son las que en las horas bajas utilizan la energía sobrante para bombear agua a un embalse superior y en las horas punta se aprovechan para dar energía a la red.

Ventajas Inconvenientes

No requieren combustible, sino que usan una forma renovable de energía, constantemente repuesta por la naturaleza de manera gratuita.

Es limpia, pues no contamina ni el aire ni el agua.

A menudo puede combinarse con otros beneficios, como riego, protección contra las inundaciones, suministro de agua, caminos, navegación y aún ornamentación del terreno y turismo.

Los costos de mantenimiento y explotación son bajos.

Las obras de ingenieria necesarias para aprovechar la energía hidraúlica tienen una duración considerable.

La turbina hidrálica es una máquina sencilla, eficiente y segura, que puede ponerse en marcha y detenerse con rapidez y requiere poca vigilancia siendo sus costes de mantenimiento, por lo general, reducidos

Los costos de capital por kilovatio instalado son con frecuencia muy altos.

El emplazamiento, determinado por características naturales, puede estar lejos del centro o centros de consumo y exigir la construcción de un sistema de transmisión de electricidad, lo que significa un aumento de la inversión y en los costos de mantenimiento y pérdida de energía.

La construcción lleva, por lo común, largo tiempo en comparación con la de las centrales termoeléctricas.

La disponibilidad de energía puede fluctuar de estación en estación y de año en año.

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