El viento es recurso de energía renovable, valiosa y
abundante, útil a nivel local en granjas y ranchos cuya superficie sea mayor a
una hectárea, así como en comunidades rurales.
Introducción
Los modernos
sistemas de energía eólica son eficientes y la tecnología sigue su avance en
este sentido. Además de contribuir en la producción de energía limpia a nivel
local y nacional, la energía eólica (viento) ofrece generalmente más
electricidad por unidad de inversión, comparada con sistemas convencionales
para generación de electricidad. El viento es buen recurso para generar
electricidad frente al alto costo económico y ambiental de la energía producida
proveniente de combustibles fósiles que contaminan y aumentan los niveles de
CO2 en la atmósfera dañando la vida en el planeta. El viento es cada día más
utilizado para cubrir necesidades de electricidad limpia en regiones donde la
población conoce la importancia y conveniencia de esta tecnología para generar
electricidad.
Viento y Energía
Los vientos se
generan debido al calentamiento solar desigual sobre la superficie terrestre.
El movimiento del viento hace girar las aspas instaladas en las turbinas de
viento. El movimiento circular de las aspas convierte la energía cinética del
viento en energía mecánica que hace funcionar un generador que produce
electricidad. Las turbinas de viento son módulos versátiles, con aspas
aerodinámicamente diseñadas, fabricadas en material ligero como la fibra de
vidrio. Estas aspas captan la energía del viento para producir electricidad por
rotación.
Cantidad de Energía
La cantidad de
energía eléctrica que una turbina de viento puede producir, es proporcional al
diámetro de rotación de sus aspas, y a la altura de la torre donde se instala
la turbina con sus aspas, lo cual define la cantidad de viento interceptado.
Las aspas son fabricadas en material ligero como fibra de vidrio. Las torres
sobre las cuales se instalan las turbinas son generalmente de acero, ubicadas a
buena altura para captar mayor cantidad de viento, ya que la velocidad de los
vientos aumenta con la altitud.
A mayor altura en
las torres se evitan turbulencias de viento que se generan a menor altura
debido a obstáculos como construcciones, árboles y colinas. Generalmente, para
generar electricidad a nivel local, las torres donde se instalan las turbinas
tienen altura no menor a nueve metros, tomando medida desde el suelo hasta el
extremo inferior del aspa perpendicular al suelo, y evitando cualquier
obstáculo en un radio no menor a cien metros lineales desde la torre.
Torres
Se utilizan
principalmente dos tipos de torres para instalar las turbinas de viento:
a.
Torre
de Tirantes.
b.
Torre
Fija.
Torre de Tirantes
La Torre de Tirantes consiste en un tubo sobre el
cual se instala la turbina.
El tubo es
soportado por tirantes de acero que limitan el movimiento y sostienen el tubo y
la turbina. Estas torres se instalan con relativa facilidad. Es posible
inclinarlas hasta el suelo para efectuar mantenimiento o reparación en turbinas
medianas y pequeñas, y para evitar accidentes durante huracanes o tornados.
La distancia (radio) entre el tubo y los cables que fijan la torre al suelo, debe ser de 50% a 75% de la altura de la torre. Por ejemplo, cada uno de los cables en una torre de diez metros de altura deben quedar anclados a una distancia entre 5.0 m. y 7.5 m. desde el tubo donde se instala la turbina. Las torres de tubo de aluminio tienden a cuartearse, por lo que es mejor evitarlas.
No deben instalarse turbinas de viento en los techos,
porque transmiten vibraciones que podrían debilitar la estructura en las
construcciones y, las turbulencias de vientos que se generan en los techos
acortan la vida útil de las turbinas.
Dependiendo de la aplicación de las turbinas, pueden requerirse dispositivos eléctricos o electrónicos como regulador, invertidor de corriente, cables, controlador, baterías de almacenamiento de electricidad, etc.
La
Torre Fija
La Torre Fija consiste en una estructura metálica rígida
fijada al suelo. Es una construcción más costosa. En este tipo de torre se hace
necesario subir hasta la punta de la misma torre para dar mantenimiento a la
turbina o para bajarla a fin de repararla o durante huracanes.
Densidad del Aire
La densidad del
aire cambia de acuerdo con la temperatura y la elevación. La clasificación de
turbinas se realiza generalmente en base a una temperatura estándar del aire a 15°C y una altitud de cero
msnm (nivel del mar).
A mayor altitud se
considera lo siguiente:
|
Densidad del Aire y Altitud |
Altura
de Velocidad
del Viento |
||
|
Elevación Metros |
Densidad Del
Aire % |
Altura
de la Torre |
Incremento en
del
Viento (Aprox.) |
|
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 |
100 97 94 91 88 85 82 79 76 73 71 |
|
Estándar Regional 41% 75% 100% 124% |
Baterías para Almacenamiento de Electricidad
En sistemas
autónomos de energía eólica que producen electricidad mediante el viento,
generalmente se utilizan baterías para almacenamiento de la electricidad
producida. Las baterías que se usan para este fin, son similares a las que se
instalan para el movimiento en los carritos en campos de golf. Este tipo de
baterías pueden cargarse y descargarse de electricidad centenares de veces. No
es recomendable utilizar baterías para uso automotriz porque su vida es corta
en este tipo de operación.
Aire y Viento
El viento consiste
fundamentalmente en un movimiento de moléculas de aire, de lugar a otro,
propiciado por la diferencia entre presiones atmosféricas. De tal manera, buscando
equilibrio entre espacios con mayor y menor cantidad de moléculas, el aire se
encuentra siempre en movimiento, ya sea en mayor o menor intensidad.
Una mayor cantidad
de moléculas de aire, significa presión atmosférica alta.
Una menor cantidad
de moléculas de aire, significa presión atmosférica baja.
De esta forma, el
movimiento del aire buscando equilibrio entre presiones atmosféricas produce
viento.
Por ejemplo, en el
interior de una lata de conservas, la presión atmosférica es baja, debido al
vacío provocado durante el envasado del producto. En el medio ambiente exterior,
la presión atmosférica es más alta que en el interior de la lata cerrada. Al
abrir la lata de conservas, se escucha un leve sonido ocasionado por el aire
que busca equilibrio entre presiones. De este modo se produce el viento que
penetra en la lata por razón de la diferencia entre la baja presión en el interior
de la lata y la alta presión en el medio ambiente exterior.
La dirección y
velocidad del viento representa el balance entre tres fuerzas básicas:
1. Presión Gradiente.
2. Fuerza Coriolis.
3. Fricción Superficial.
Durante el día, la
luz solar calienta los suelos más rápidamente que el agua en los océanos. De
este modo se forma baja presión atmosférica sobre los suelos y alta presión
atmosférica sobre el agua en los océanos. Esta diferencia de presiones durante
el día provoca que el aire fluya de los
océanos hacia los continentes en forma de viento. Por el contrario, durante la
tarde y noche, los suelos se enfrían más rápidamente que el agua en los océanos
provocando alta presión atmosférica sobre los suelos y baja presión atmosférica
sobre el agua en los océanos. Esta diferencia entre presiones atmosféricas
durante la tarde y noche provoca que el aire fluya en forma de viento o brisa
desde los continentes hacia los océanos.
Durante el día, el
aire sobre las montañas es calentado más rápidamente por el sol que el aire en
los valles. Es decir, el aire sobre las montañas tiene mayor temperatura que en
los valles. El aire caliente crea movimiento al elevarse por razón de su mayor
temperatura. Este movimiento del aire genera vientos en los valles. Por el
contrario, durante la tarde y noche el aire en las montañas se enfría más
rápidamente que en los valles, y baja en forma de viento denso desde las
montañas hacia los valles.
La velocidad del
viento puede conocerse mediante anemómetros
que son aparatos diseñados para este fin. También pueden conocerse las
velocidades del viento solicitando información en aeropuertos o centros
meteorológicos cercanos.
Es conveniente
conocer la dirección prevaleciente del viento antes de instalar las turbinas de
viento. Las turbinas de viento operan, ya sea conectadas a la instalación
eléctrica para ahorrar en la cuenta de electricidad, ó almacenando la
electricidad en baterías.
Las turbinas de
viento funcionan bien con vientos anuales promedio desde 4.0 metros por segundo.
Sistemas Híbridos
Estos sistemas,
además de turbinas para capturar la energía del viento utilizan la luz del sol.
Es decir, se instalan paneles de energía solar fotovoltaica en la parte
inferior de las torres donde se encuentran las turbinas de viento. De este modo
se aprovechan los vientos de otoño e invierno que son más fuertes, y la luz
solar que en primavera y verano es más intensa. De esta forma es posible tener
energía limpia durante gran parte del año.
Estos sistemas de
energía eólica y solar, bien diseñados, calculados de acuerdo a condiciones
específicas de funcionamiento, y proporcionando buen mantenimiento al equipo,
proveen electricidad limpia. En el caso de turbinas de viento que operan de
forma autónoma como único recurso de electricidad, la capacidad de
almacenamiento de energía eléctrica (baterías) debe ser suficiente considerando
la eventual ausencia de viento y sol. El tipo de turbina de viento y altura de
la torre, dependerán de la aplicación. Cuando sea necesario, es posible
incorporar a estos sistemas híbridos, generadores de electricidad que operan
con motores de combustión interna, los cuales mediante dispositivos
electrónicos inician su operación cuando la energía en las baterías disminuye
debido a la ausencia de viento y sol.
|
Producción
Predecible de Electricidad Eólica Una turbina de
viento cuyas Aspas (3) tengan un Diámetro de |
|||||||||
|
Velocidad del Viento
Promedio M/S |
4.0 |
4.8 |
5.4 |
5.8 |
6.2 |
6.7 |
8.4 |
||
|
Altura
Torre 9
Metros |
KWH 24VCC |
Electricidad Diaria KWH (aprox.) |
2.6 |
4.3 |
5.8 |
6.8 |
7.8 |
9.1 |
12.7 |
|
Electricidad Anual KWH (aprox.) |
950 |
1560 |
2100 |
2480 |
2840 |
3320 |
4630 |
||
|
Altura
Torre |
KWH 24VCC |
Electricidad Diaria KWH (aprox.) |
4.1 |
6.4 |
8.2 |
9.3 |
10.4 |
11.7 |
14.7 |
|
Electricidad Anual KWH (aprox.) |
1490 |
2330 |
2990 |
3390 |
3800 |
4270 |
5360 |
||
|
Altura
Torre |
KWH 24VCC |
Electricidad Diaria KWH (aprox.) |
5.2 |
7.8 |
9.7 |
10.9 |
12.0 |
13.1 |
15.4 |
|
Electricidad Anual KWH (aprox.) |
1900 |
2840 |
3540 |
3970 |
4380 |
4780 |
5620 |
||
Costo de Energía Eólica
La utilización de
la energía cinética del viento, sigue siendo una forma económica para generar
electricidad comparada con métodos convencionales de energía a partir del
petróleo (combustibles fósiles contaminantes). La electricidad obtenida mediante
el viento es económica, debido principalmente a que un leve incremento en la
velocidad del viento resulta en un gran aumento en la generación de
electricidad. Es decir, la energía eólica que puede captarse es igual a la
velocidad del viento elevada exponencialmente al cubo.
El mejoramiento en
los diseños, y la utilización de dispositivos electrónicos hacen que las
turbinas de viento sean cada día más eficientes, lo cual a su vez disminuye el
costo de la electricidad eólica. Entre más alta sea la torre donde se instala
la turbina de viento, y mayor sea el diámetro que abarcan las aspas, más
productiva y poderosa será la turbina de viento. Resulta fundamental aprovechar
las condiciones geográficas en reghiones donde se instalarán las turbinas de
viento para disminuir los costos de energía y cumplir con la normatividad
ecológica. La energía eólica brinda beneficios económicos y ecológicos
evidentes, además disminuye la dependencia en combustibles fósiles escasos y
costosos que contaminan el medio ambiente.
Clasificación
La mayor parte de
los fabricantes clasifican las turbinas de viento a partir de la energía que
pueden producir a una determinada velocidad del viento.
En la siguiente
fórmula se indican factores relacionados al desempeño de una turbina de viento:
P = kCp1/2jAV3
P= Energía
Kilowatts.
Cp = Coeficiente
de energía, (0.25 a
0.45 y máx. teórico 0.59).
j = Densidad
del Aire (libras por pié cúbico lb/ft3).
A = Área de las
aspas, (pies cuadrados ft2).
V = Velocidad del
viento (millas por hora).
k = Constante
0.000133 para convertir kilowatts a caballos de fuerza (HP).
Nótese que V en la
fórmula tiene exponente 3, lo cual significa que un mínimo incremento en la
velocidad del viento aumenta considerablemente (exponencialmente) la producción
de energía eléctrica.
Cálculo Preliminar del Desempeño de Turbinas de Viento
La siguiente
fórmula es útil para calcular preliminarmente el desempeño de una turbina de
viento:
EA = 0.01328D2V3
EA = Energía anual
suministrada (kilowatts hora por año KWH/año).
D = Diámetro de las aspas (pies).
V = Velocidad
promedio anual del viento (millas por hora).
Comentarios
- Las turbinas de
viento modernas operando a distancia entre 100 y 300 metros, no hacen más
ruido que un refrigerador en casa, y son mucho más silenciosas que algunos aparatos
electrodomésticos
- Las turbinas de
viento no deben instalarse demasiado cerca de lugares habitacionales para
evitar turbulencias de viento que podrían afectar el desempeño de las turbinas
y posibles riesgos e interferencia en radios o televisores.
- Se recomienda
instalar luz de señalización en estructuras cuya altura sea mayor a
60 metros. La mayoría de las torres para turbinas de viento de uso local no llegan a esta altura. - La sombra que generan las aspas de las turbinas, se presenta al amanecer y al atardecer, debido al menor ángulo del sol sobre la superficie del suelo.
- Generalmente, las
turbinas de viento modernas y bien diseñadas que han recibido mantenimiento
preventivo y correctivo adecuado, generan electricidad durante la mayor parte
del año. Es decir, entre 65% y 75% del tiempo. En este sentido cabe mencionar
que ningún sistema para generación de energía eléctrica opera al 100%.
- Con sólo una
pequeña fracción del potencial del viento es posible satisfacer necesidades de
electricidad.
La eficiencia, resulta de calcular la cantidad de energía que se requiere para generar
electricidad.
Por ejemplo:
- En plantas
nucleares, la electricidad que se genera es 16 veces mayor a la energía que se
consume en el proceso para obtener la electricidad.
- En plantas de
energía eléctrica que utilizan carbón, la electricidad que se genera es 11
veces mayor a la que se consume en el proceso para obtener la electricidad.
- Investigaciones
recientes llevadas a cabo en
la Universidad de Wisconsin-Madison, indican que productores agropecuarios en el medio oeste de Estados Unidos utilizando turbinas de viento, han obtenido hasta 39 veces más electricidad con respecto a la inversión.
American
Wind Energy Association.
Bergey
Wind Power.
University of Wisconsin-Madison.
Jorge Alejandro DelaVega Lozano
Agro-Proyectos Sustentables