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Aprovechamiento del recurso eólico en ciudades

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  • 1. Aprovechamiento del Recurso Eólico en las Ciudades Universidad de ZaragozaMaster en Energías Renovables y Eficiencia Energética Trabajo Asignatura de Energía Eólica Aprovechamiento del Recurso Eólico en las Ciudades Profesor: Andrés Llombart Estopiñan Alumnos: Zulema de la Rosa Sanabria Leonardo Agurto Venegas Fecha: Marzo 2010 ÍNDICE 1. Introducción ……………………………………………………………………………………………………………………….02 2. Recurso Eólico en la Ciudad ……………………………………………………………………………………………..…..03 2.1. Configuraciones del Viento en la ciudad 2.2. Leyes Fundamentales 3. Modelos de análisis de viento en ciudades……………………………………………………………………………………..07 3.1. Análisis Matemático 3.2. Medidas experimentales 3.3. Análisis CFD 4. Análisis de Tipologías de Captación……………………………………………………………………………………………..08 4.1. Turbinas cerca de Edificios 4.2. Turbinas en ductos que atraviesan edificios 4.3. Edificios que Canalizan el viento 5. Conclusiones ……………………………………………………………………………………………………………………….13 6. Problemas de la captación eólica en ciudades…………………………………………………………………………...........14 7. Bibliografía ….……………………………………………………………………………………………………………………14 Zulema de la Rosa Sanabria + Leonardo Agurto Venegas E-Mail: idril15@hotmail.com- leonardoagurto@gmail.com 1
  • 2. Aprovechamiento del Recurso Eólico en las Ciudades Universidad de ZaragozaMaster en Energías Renovables y Eficiencia Energética 1. INTRODUCCIÓN El viento tiene su origen en el desigual calentamiento de la atmósfera. Alrededor del 2% de la radiación proveniente del sol es convertida en energía eólica. El viento urbano es uno de los factores climáticos de más difícil previsión en la ciudad, puesto que a las variaciones de pendiente o relieve, se suman además las obstrucciones o rugosidades existentes en el medio ambiente urbano, rugosidad generada en general por los distintos ritmos de edificaciones y vacíos. Esta morfología puede alterar completamente los parámetros de viento obtenidos en los observatorios meteorológicos en cuanto a regímenes habituales. La capacidad de generación de las turbinas eólicas depende principalmente de la velocidad del viento1, y a su vez ésta depende de varios factores, la altura, la humedad y la geografía del terreno. Para calcular el potencial eólico de cualquier región es pues necesario estimar las velocidades del viento a diferentes alturas y en diferentes épocas del año. Esto es lo que hace especialmente difícil la estimación precisa del recurso eólico urbano. Sabido es que el viento es un condicionante del hábitat, claros ejemplos son las ciudades cercanas a la costa, o particularmente en España las del valle del Ebro donde es claro que existe un recurso factible de generar energía integrando turbinas en construcciones. Esto ya es una realidad, pero su desarrollo y la optimización de las distintas tipologías de captación aún están en desarrollo. Porqué es preciso desarrollar integración de la eólica en el medio urbano, o Se evitarían costos de transporte de energía o Se evitaría seguir con la industrialización de las zonas rurales e invasión de paisajes naturales o Cuestiones medioambientales (Bajar las emisiones de CO2) o La construcción refleja los pensamientos de la comunidad Creemos que hoy la totalidad de este recurso en el ámbito urbano no está completamente explorada y aprovechada, por lo que se hace hoy necesario conocer y estudiar en profundidad el comportamiento del viento en el ámbito urbano a baja altura, siguiendo las pendientes entre edificaciones, vías, quebradas, plazas, lugares urbanos emplazados en cerros y cercanos al mar. Estas características del viento en la ciudad, donde la morfología del territorio edificado, el ritmo de los edificios, las sombras y el asoleamiento, influyen hasta la generación de microclimas eólicos locales que tienen, por ejemplo, localización en una esquina, un rincón del mirador o en un pasaje merecen ser estudiadas para estar concientes de la totalidad de las posibilidades de extraer energía de estos flujos. Este trabajo tiene como fuente principal la tesis “Wind Energy in the Built Environment” de Sander Mertens, recomendada por Simon Watson. Por eso no recoge la diversidad de opiniones que tendrían varios artículos pero a cambio es un repaso exhaustivo y explicativo del tema. La estructura dada al presente trabajo, comienza caracterizando brevemente el comportamiento del viento en la ciudad y la relación de éste con las configuraciones urbanas más características, para posteriormente mostrar los tipos de análisis que se hace del viento en las ciudades y las metodologías existentes actualmente para su estudio. Posteriormente el trabajo consta también de un breve análisis de 3 tipos de turbina que de una u otra forma aprovechan el recurso eólico, integrándose de diferentes maneras en los edificios, se termina haciendo una comparación de estas 3 tipologías. 1 "Análisis y Validación de Metodología usada para la obtención de perfiles de velocidad de viento." Bañuelos-Rueda, F., Ángeles-Camacho, C., Serrano-García, J.A. Instituto de Ingeniería de la Universidad Autónoma de México. Zulema de la Rosa Sanabria + Leonardo Agurto Venegas E-Mail: idril15@hotmail.com- leonardoagurto@gmail.com 2
  • 3. Aprovechamiento del Recurso Eólico en las Ciudades Universidad de ZaragozaMaster en Energías Renovables y Eficiencia Energética 2. RECURSO EÓLICO EN LA CIUDAD La incidencia del viento en ciudades está condicionada a los factores morfológicos de cada urbe, resulta difícil realizar un cuadro de situaciones tipo, ya que hay que diferenciar la acción propia del viento por un lado y por otro la influencia de determinados obstáculos en el trayecto del viento, ambas acciones explicados en conjunto. Los parámetros iniciales de velocidad, dirección y frecuencia, se pueden hallar en los observatorios meteorológicos locales pero para zonas próximas como aeropuertos y zonas rurales, pero estos datos se ha comprobado que difieren mucho del recurso eólico en el interior de la ciudad. El viento en la ciudad tiene principalmente dos formas de aprovechamiento, la primera y quizás la más extendida es su uso para generar refrigeración por ventilación natural. Las corrientes de viento en los espacios interiores de los edificios y su uso controlado son generadores de ventilación natural e higiénica medida generalmente en número de renovaciones de aire por hora. Cabe mencionar que según estudios de Victor Olgyay, a partir de velocidades superiores a los 4m/s (14.4 Km/h) los efectos benéficos del viento en la moderación de la sensación térmica se ven contrarrestados por los perjuicios derivados de su acción dinámica 2. La segunda forma de aprovechar estos flujos de viento en la ciudad, es para generar energía, que es el tema del presente trabajo, en que se intentará dar una mirada al viento en la ciudad, la forma de estudiarlo y su potencial aprovechamiento. En el medio ambiente urbanizado, la turbulencia del viento es inevitable a menos que la turbina está situada muy por encima de los edificios circundantes. La mayoría de las veces, la turbulencia de los edificios circundantes afectan en alguna medida a una turbina de viento. A continuación se mostrará gráficamente cuales son las principales configuraciones de los movimientos del viento urbano, para posteriormente explicar las principales leyes que lo rigen. 2.1. Configuraciones del Viento en la Ciudad a) Debido a la cantidad de obstrucciones que producen los edificios, dispuestos de muy diversa manera en los núcleos urbanos, las corrientes de viento en el medio urbano resultan particularmente turbulentas y variables y en general, de difícil previsión ya que ante los obstáculos, el comportamiento del viento es que tiende a rodearlos, creando una zona de fuerte presión en la cara expuesta y de depresión en la cara protegida, debido a los efectos de sombra de viento y de barrera. (Fig. a) b) 2.1.1. Sombra Eólica: resultante del bloqueo de un cuerpo enfrentado al viento. Esta zona a sotavento en promedio alcanza una longitud máxima en horizontal de cuatro veces la altura del sólido y en un ancho a cada lado igual a dos veces el ancho de la construcción. (Fig. b) 2.1.2. Efecto refugio o barrera: cuando las edificaciones se disponen en una configuración en la que se protegen unos a otros. Sombra eólica, es aprovechada por las edificaciones siguientes. En las barreras limitadas longitudinalmente, como pueden ser los edificios, según aumenta la separación a la línea de barrera, la zona protegida disminuye desde los ángulos hacia el centro. (Fig. c) 2.1.3. Efecto Venturi: Según este efecto, la velocidad, en el tramo de una tubería que tiene menor sección es mayor que en el tramo que tiene mayor sección. Cuando dos elementos de barrera se encuentran implantados de manera que forman un embudo reductor del espacio, se crea una aceleración a nivel de suelo. El factor se refuerza cuando las esquinas c) de dichos elementos acaban en formas curvas en el estrechamiento o cuando se prolongan 2 “Arquitectura y clima: manual de diseño bioclimático para arquitectos y urbanistas”. Victor Olgyay. Barcelona. Gustavo Gili, D.L. 1998 Zulema de la Rosa Sanabria + Leonardo Agurto Venegas E-Mail: idril15@hotmail.com- leonardoagurto@gmail.com 3
  • 4. Aprovechamiento del Recurso Eólico en las Ciudades Universidad de ZaragozaMaster en Energías Renovables y Eficiencia Energética detrás de él divergiendo. En la ciudad, este efecto se hace patente en las esquinas, en d) donde el viento es comprimido y encauzado. (Fig. d) 2.1.4. Efecto esquina: se produce por el flujo de viento de una zona de alta presión a barlovento, hacia una zona de baja presión en sotavento, se hace presente en las esquinas de los edificios, generando turbulencias pero limitadas a un área paralela en ancho al espesor del edificio. El incremento de velocidad para una altura de 15 m (5 plantas) es de 1.2 veces en edificios de planta rectangular. (Fig. e) e) 2.1.5. Efecto rodillo: Se produce un flujo en torbellino en la base de la cara expuesta al viento. La dirección del flujo de aire en dicha cara es perpendicular al suelo, para elevarse posteriormente en un movimiento circular. 2.1.6. Efecto Enlace de presiones: se desarrolla cuando el viento fluye sobre filas paralelas de edificios, produciendo succiones entre ellos que aspiran los flujos descendentes y los vientos, generando corrientes transversales a ras de suelo. 2.1.7. Efecto Canal: Cuando en una calle se configura con alineaciones de conjuntos de edificios muy agrupados puede tender a encauzar el viento si dicho espacio es alargado y f) estrecho en relación a las alturas de los edificios configurantes, velocidades muy intensas 2.1.8. Efecto Pirámide: Las configuraciones piramidales ofrecen poca resistencia al viento, y generalmente dispersan la energía del viento. Una aplicación en la edificación de este principio es la utilización de configuraciones en gradas de fachadas, así se reducen los efectos vértice, estela y esquina. (Fig. f) 2.1.9. Efecto de Abertura: El viento rodea el obstáculo, elevado con respecto al suelo, y se reparte entre la zona baja de la edificación (con mayor intensidad) y la zona superior (con menor intensidad). El efecto aumenta con la altura del edificio, siendo mayor cuanto más perpendicular a la fachada sea la dirección del viento.Como ejemplo para una altura de 5 plantas, el incremento la velocidad del viento, es de 1.2 veces respecto a la velocidad inicial. g) (Fig. g) 2.2. ANÁLISIS DEL VIENTO EN EL MEDIO URBANO 2.2.1. Ley Logarítmica La velocidad del viento disminuye con la altura, porque se ha de cumplir la condición de que en el suelo la velocidad es 0. Se ha medido la velocidad a una altura y con unas condiciones de rugosidad fijas (altura de referencia z=10m y rugosidad z0=3cm), esta velocidad de referencia se llama velocidad potencial up. A partir de ella se puede calcular la velocidad del viento para otras condiciones de altura y rugosidad, mediante la fórmula: En el caso de las ciudades, la gran rugosidad del terreno hace que se genere una capa límite interna, de altura hk . Dentro de esa capa una magnitud importante es la altura de desplazamiento d, que representa la influencia de los edificios en la velocidad del viento y se calcula: Donde H es la altura media de los edificios (valor típico 25 m) AH es la proporción de área ocupada por edificios (en general 42% ) z0 es la rugosidad sin edificios, que tipicamente se considera 80 cm Zulema de la Rosa Sanabria + Leonardo Agurto Venegas E-Mail: idril15@hotmail.com- leonardoagurto@gmail.com 4
  • 5. Aprovechamiento del Recurso Eólico en las Ciudades Universidad de ZaragozaMaster en Energías Renovables y Eficiencia Energética Entonces, dentro de la capa límite interna, se cumple que la velocidad del viento es: Donde z01 es la rugosidad antes de llegar al medio urbano z02 la rugosidad en la ciudad. Pero los edificios perturban el régimen laminar del viento, sobretodo en las capas más bajas, pues al encontrar un obstáculo el viento es desviado horizontal y verticalmente. En consecuencia, esta fórmula según la ley logarítmica, solo es válida para alturas mayores que 1,5d. A partir de ahora, nos centraremos en los flujos de viento locales entorno a los edificios, de modo que la velocidad determinada por la fórmula anteriormente dada no será relevante. Fig. 1.- Esquema del perfil de cambio de la capa límite con la diferencia de rugosidad.- 2.2.2. Análisis de la Influencia de las Obstrucciones Edificadas Los edificios o volúmenes construídos, se podrian clasificar en aerodinámicos y abultados, según su grado de oposición a una determinada direccion del viento, como muestra la gráfica (Fig 2). En edificios aerodinámicos, la influencia en la velocidad del viento, se debe al arrastre viscoso, debido al rozamiento con las paredes. En cambio en un edificio abultado, es más importante el arrastre por diferencias de presiones, ya que en la sombra de viento, la velocidad y la presion son menores. Además de la disminución en la velocidad total hay un aumento de la turbulencia tras esta sombra de viento, que se llama Calle de vórtices. El flujo de aire que entra en la zona de sombra, lo hace en forma de remolinos que provienen de un lado del edificio cada vez y su giro es alterno. Si los edificios tienen una dimensión más de 10 veces mayor que las otras, se caracterizan como de 2 dimensiones, en ese caso hay una dirección en la que no pasa aire, por tanto en las otras va más rápido. Un ejemplo de cuerpo en dos dimensiones, puede ser un cilindro de gran altura, mientras que su equivalente en 3 dimensiones es la esfera. Fig. 2.-Cálculo CFD de las líneas de flujo alrededor de un cuerpo aerodinamico y un cuerpo abultado, con el viento incidiendo de izquierda a derecha. u0 = velocidad del flujo libre uθ = velocidad tangencial del flujo a un ángulo tita respecto de la dirección de incidencia En el ejemplo de la figura 3, se ve la planta circular del edificio, si el viento incide desde la izquierda, para un ángulo θ igual a 90º se representan en el gráfico las velocidades del viento a distintas distancias. Se puede observar que la velocidad cercana a la pared del cilindro es mayor que la cercana a la pared de la esfera, porque en la esfera el viento tb puede circular por la parte superior. Este perfil de velocidades es independiente del tamaño del edificio (radio R en este caso). Fig. 3.- Potenciales velocidades del flujo en los costados de una esfera y de un cilindro. Zulema de la Rosa Sanabria + Leonardo Agurto Venegas E-Mail: idril15@hotmail.com- leonardoagurto@gmail.com 5
  • 6. Aprovechamiento del Recurso Eólico en las Ciudades Universidad de ZaragozaMaster en Energías Renovables y Eficiencia Energética 2.2.3. Punto de estancamiento Se puede definir un punto de estancamiento en el que la presión es máxima y es la frontera entre el aire que sube hacia la cubierta y el que se queda distribuido en remolinos en la fachada. Este punto, tiene una altura Hs y para un edificio de altura H se puede calcular de la siguiente forma: Fig. 4.-Localización del punto de estancamiento. Hs = 0,85H + 0,15d En el borde de la cubierta, la capa límite se separa del edificio, debajo de ella hay una zona de recirculación y gran turbulencia, que no es conveniente para una turbina. El ángulo con el que se separa la capa límite de la cubierta, depende de los siguientes elementos: a. Rugosidad de la fachada b. Inclinación de la cubierta c. Tamaño del edificio d. Deslizamiento del flujo Fig. 5.-Cálculo CFD de los vectores de velocidad alrededor de un edificio en que predomina una dimensión (denominado 2D) y acercamiento a la cubierta.. Esto se aplica también a lograr una buena ventilación natural del edificio, dado que el punto óptimo de entrada de aire es el punto de estancamiento y el ducto de salida es mucho más eficiente si llega por encima de la zona de recirculación, de esta manera la gran presión de entrada hará que mucho aire atraviese el edificio de forma natural y la velocidad en el punto de salida ayudará a la expulsión natural de aire. La altura de la zona de recirculación (y) va en aumento con la profundidad del edificio(x), es proporcional al tamaño de la fachada en la que incide el viento, la longitud que caracteriza el tamaño de la fachada es: Donde Dsmall es la menor de las longitudes de la fachada Dlarge la mayor, sea esta la altura o la anchura Y por tanto la fórmula para y es: Fig. 6.-Flujo alrededor de un cuerpo abultado. 2.2.4. El modelo de cavidad En este modelo se puede estimar a partir de mediciones, un coeficiente específico para cada edificio (Cp,b) a partir de la diferencia de presiones entre la zona barlovento y la de sotavento, de modo que se puede calcular la velocidad del viento en el vertice frontal del edificio (us ) a partir de la velocidad libre u0 . Por ejemplo a la hora de diseñar aleros, un gran ángulo de ataque favorece un coeficiente Cp,b menor que cero de manera que favorece velocidades tangenciales altas y por tanto la colocación de Zulema de la Rosa Sanabria + Leonardo Agurto Venegas E-Mail: idril15@hotmail.com- leonardoagurto@gmail.com 6
  • 7. Aprovechamiento del Recurso Eólico en las Ciudades Universidad de ZaragozaMaster en Energías Renovables y Eficiencia Energética turbinas, en caso de edificios comunes interesan aleros con pequeño ángulo de ataque para mejorar la estabilidad frente a vientos muy fuertes. Fig. 7.- Vista lateral de un edificio y ángulo de separación resultante. Fig. 8.-Coeficientes de presión local (Cp x100) para un edificio alto con dirección de viento variable.(Según Davenport y Hui 1982) 3. MODELOS DE ANÁLISIS DE VIENTO EN CIUDADES 3.1. Análisis Matemático La ecuación de dinámica de fluidos pertinente sería la de Navier-Stokes pero resolverla analíticamente presenta mucha dificultad, por lo tanto se usan ecuaciones para casos más concretos y formas geométricas específicas como el tubo semi- infinito. Una versión simplificada de este problema es considerar los volúmenes limitados por líneas de flujo y cuantificar el momento lineal en la sup de entrada y en la de salida, la diferencia entre ellos se deberá a fuerzas axiales. Esto es la conservación del momento lineal y matemáticamente se expresa mediante la ecuación que se muestra en un costado. 3.2. Análisis Experimental Las reacciones del flujo a las diferentes configuraciones también pueden determinarse experimentalmente mediante medidas en un túnel de viento, en concreto las medidas sobre modelos de edificios se han realizado en un tubo abierto, es decir un ventilador succiona en un extremo, diferentes pantallas a lo largo del tubo hacen que el flujo sea uniforme y no turbulento y a poca distancia de la salida está la zona de mediciones donde se colocan modelos a escala y se mide la diferencia de presión con tubos de Pitot. La superficie del actuador ha de ser menor del 5% del área de salida del tubo, sino se afecta demasiado al flujo libre de viento. Fig.9.- Simulación del flujo del aire mediante un túnel de viento a través de volúmenes construidos (maqueta). Fuente: “Arquitectura y clima: manual de diseño bioclimático para arquitectos y urbanistas” Victor Olgyay. Zulema de la Rosa Sanabria + Leonardo Agurto Venegas E-Mail: idril15@hotmail.com- leonardoagurto@gmail.com 7
  • 8. Aprovechamiento del Recurso Eólico en las Ciudades Universidad de ZaragozaMaster en Energías Renovables y Eficiencia Energética 3.3. Análisis CFD CFD quiere decir Computer Fluid Dynamics, y corresponde a la simulación de flujos de viento mediante el uso de un software que modela numéricamente y con gran rapidez y exactitud, los fenómenos físicos que ocurren en los fluidos mediante la solución de una serie de ecuaciones diferenciales parciales no lineales 3. Los resultados de estos cálculos son mostrados de forma gráfica, lo que hace muy atractivos estos métodos, ya que constituyen una aproximación que por un lado ahorra muchisimo tiempo en cálculos y que por otro lado los resultados al mostrarse resumidos en gráficas y diagramas tridimensionales, son facilmente entendibles y resumen mucha información de datos numéricos en dibujos de vectores cuyas velocidades se representan por colores o por isolíneas. Los programas más conocidos, para llevar a cabo estas simulaciones, son Urbawind, Fluent, Flow-3d, Phoenics y Design Builder. Las principales utilidades de estas simulaciones, pueden ser para predecir la calidad y velocidad del aire, la temperatura de los flujos, los coeficientes de presión, la concentración de elementos contaminantes. La simulación CFD aplica técnicas numéricas para resolver las ecuaciones de Conservación de cantidad de movimiento 4. La ecuación de conservación en su forma general puede ser escrita como: Fig.10 y 11.- Im ágenes de simulaciones CFD realizadas mediante programas Flow 3D y Urbawind. 4. ANÁLISIS DE TIPOLOGÍAS DE CAPTACIÓN 4.1. Turbinas Cerca de Edificios Estas turbinas aprovechan la aceleración que produce el edificio. En las cubiertas las turbinas han de estar por encima de la zona de recirculación y si se colocan en las paredes, para alguna dirección del viento la turbina se encontrará a la sombra del edificio. Si el diámetro de la turbina es muy grande, la aceleración del viento será desigual y no se pueden aplicar las ganancias de potencia que se explicarán más adelante. En el caso de los tejados, una turbina se considerará grande si su diámetro es mayor que 1/10 de la altura del edificio. En caso de las paredes, el diámetro de la turbina se considerará grande si es mayor que 1/5 de la anchura del edificio. Fig.12.- Ubicaciones donde la velocidad del viento es calculada y comparada (centro, vértice, esquina). Para un edificio con profundidad 1, anchura 3 y altura 2, la altura ideal de una turbina en el centro es ∆H / H = 0,25 y en los bordes y las esquinas ∆H / H =0,05, al calcular rendimientos en cada posición, el que menos variaciones sufre con el cambio de direcciones del viento es la del centro, que además tiene una densidad de energía un 40% mayor que las otras dos ubicaciones. 3 Fuente: Presentación “CFD en la arquitectura bioclimática. Aplicación CFD en el nuevo campo municipal de futbol en Zaragoza, España” Grupo de Energía y Edificación, Departamento de Máquinas y Motores Térmicos Universidad de Zaragoza, España. Junio 2009 4 Ibidem: Presentación “CFD en la arquitectura bioclimática…” GEE. Daniel San Ginés. Zulema de la Rosa Sanabria + Leonardo Agurto Venegas E-Mail: idril15@hotmail.com- leonardoagurto@gmail.com 8
  • 9. Aprovechamiento del Recurso Eólico en las Ciudades Universidad de ZaragozaMaster en Energías Renovables y Eficiencia Energética Las turbinas de eje horizontal no aprovechan bien el flujo oblicuo, pueden orientarse en todas las direcciones de la rosa de los vientos, pero no si el flujo de aire proviene desde arriba o desde abajo. Por eso en edificios es más interesante una turbina de eje vertical como la H-Darrieus. Esta turbina se puede modelizar como un cilindro en el que según la inclinación del flujo, el viento se frena una vez (zona s) o dos veces (zona d), tal como se ve en el dibujo lateral (Fig. 13). En la parte doble, la componente de la velocidad que genera potencia es la perpendicular a la pala ( u 0 ,⊥ ,d )y se calcula mediante: γ = ángulo oblicuo con que incide el viento. Fig.13. Desaceleración de la corriente en un H- Darrieus. A la izquierda se ve sección de éste. u0= es la velocidad de ese viento ad= factor de inducción local, que cuantifica la frenada de la parte posterior del actuador. Cada pala de ancho C, tiene un resalte a 0,2C para que la sombra de viento no se alargue después de pasar la pala, afectando al resto de la turbina provocando vibraciones y ruido.Esta tubina es difícil de modelar, para cada ángulo θ , tiene un coeficiente de potencia diferente, por eso se integra entre π y 0. También es diferente este Cp para el sector doble (dCP,d) y el sector sencillo (dCP,s multiplicado por 2 por el hecho de haber dos zonas s). Las pérdidas debido a la viscosidad del aire también se pueden representar como un coeficiente de potencia (dCP,loss) Fig. 14. Vista superior de un H-Darrieus para un flujo desigual de viento. En rojo se marcan los resaltes que se deben colocar en cada pala para que sombra de viento no afecte al resto de la turbina En la gráfica siguiente (Fig.15) se puede observar que el Cp tiene su máximo para un ángulo oblicuo de 25º, donde la potencia extraída del viento es 1,3 veces la potencia extraida si el viento tuviera flujo horizontal. También se observa que es muy dificil modelar el comportamiento de una turbina H-Darrieus. Fig.15.- Gráfica comparativa de la variación del coeficiente de potencia para distintos Fig.16.- Incremento d ela Potencia para diferentes direcciones del viento (phi) ángulos de ataque del viento. Zulema de la Rosa Sanabria + Leonardo Agurto Venegas E-Mail: idril15@hotmail.com- leonardoagurto@gmail.com 9
  • 10. Aprovechamiento del Recurso Eólico en las Ciudades Universidad de ZaragozaMaster en Energías Renovables y Eficiencia Energética En un edificio en que el viento incide en la fachada más larga ( ϕ =0º), las direcciones del viento más favorables son 0º y 180º tal como se observa en la siguiente gráfica. Para un viento de 5.0 m/seg se ha calculado la producción de una turbina tipo H-Darrieus., en diferentes condiciones, para una rugosidad baja en un tejado plano, daría 620 KWh/año m2, para el mismo tejado con una rugosidad alta daría 174, en una cubierta redonda, con baja rugosidad la producción es mayor 1032 KWh/año m2 y para los laterales de un edificio cilíndrico la producción sería 617 KWh/año m2. En las siguientes imágenes se muestra la configuración volumétrica de edificio más favorable cuando hablamos de generadores eólicos sobre las cubiertas, que es la cúpula semicircular, ya que estas permiten la captación del viento multidireccional. Para las ubicaciones de turbinas laterales, la forma volumétrica mas favorable es la de un edificio cilíndrico en que predomina la dimensión vertical. 4.2. Turbinas en ductos que atraviesan edificios La incidencia del viento provoca una alta presión en la fachada que enfrenta el viento y bajas presiones en los costados y en la fachada de sotavento. Esta diferencia de presión provoca un flujo si existe una conexión entre ambas fachadas. Normalmente este flujo de aire es conocido como corriente, similar a cuando se abre una ventana en un día de viento. Una turbina eólica que opera con estas corrientes se llama disco concentrador o concentrador de placa. Fig.17.- Fotomontaje con las dos formas óptimas para la captación sobre cubierta y en los costados El modelo que explica este concentrador supone que: (esfera y cilindro). -las fuerzas viscosas son despreciables, Re>>1. -la velocidad en la estela del concentrador es cero. -el área del ducto At es mucho menor que el de la placa AP. Según el teorema de Bernouilli, se define una velocidad de separación us que sería la debida a la diferencia de presiones si no existiese actuador: Donde pc es la presión en la cavidad o estela y p0 la presión del flujo libre antes de ingresar al actuador. Fig.18.- Fotom ontaje de edificio con perforación para acoger turbina eólica integrada. Fig.19.- Flujo alrededor de la placa concentradora y modelo de cálculo, a la izquierda se observa cálculo CFD con las líneas de corriente generadas. Zulema de la Rosa Sanabria + Leonardo Agurto Venegas E-Mail: idril15@hotmail.com- leonardoagurto@gmail.com 10
  • 11. Aprovechamiento del Recurso Eólico en las Ciudades Universidad de ZaragozaMaster en Energías Renovables y Eficiencia Energética La contracción o expansión del tubo se denomina β y es el cociente del área del flujo paralelo antes de ingresar al actuador entre en área de flujo paralelo tras el actuador, donde la velocidad es ue. Se ha demostrado experimentalmente que el factor β toma valores entre 0,5 y 1. La velocidad en el interior del ducto es u t , x . Y con estos datos se puede calcular el coeficiente de potencia: Un edificio con una dimensión horizontal muy marcada, mejoraría un 10% la relación uS/u0. El factor de inducción a se obtiene de u t,x=(1-a)u0 y tiene gran influencia en el coeficiente de potencia, tal como se puede ver en la gráfica de la fig.20. El coeficiente de potencia disminuye conforme aumenta el ángulo de incidencia. Para disminuir este efecto aparecen los concentradores combinados, que consisten en dos placas concentradoras en configuración cruzada, tal como se puede ver en el esquema de la fig.21. Este tipo de concetradores aprovecha mejor el viento omnidireccional que los concentradores de placa simples. Fig.20.- Coeficiente de Potencia del actuador según variación del Fig.21.- Vista superior de un concentrador de placa combinado. valor del coeficiente de inducción a 4.3. Edificios que canalizan el viento Este caso plantea la integración de un tipo de aerogenerador colocado entre masas edificadas que actuan como concentradores del viento, dirigiéndolo hasta la posición en que se coloca el o los aerogeneradores. El diseño de esta configuración y la de ductos comparada con las cercanas a edificios, requiere mucho más esfuerzo, ya que no solo la turbina eólica del edificio tiene que ser elaborada, sino también la construcción del edificio adaptado como concentrador. De partida el proyecto considera la forma del edificio diseñado expresamente para este fin, integrando tres elementos determinantes: - una forma o volumetría aerodinamica que favorezca la concentración de los flujos que impactan en él, normalmente en los ejemplos este volumen concentrador está compuesto por dos bloques principales, - una separación de estos volumenes entre los que se genera la concentración Fig.22.- Imagen fotorealista de un modelo teórico eólica, normalmente es una distancia precisa definida por el tamaño del para el tipo de edificio canalizador del viento. aerogenerador que se piensa utilizar, - una orientación precisa de estos dos cuerpos aerodinámicos en la dirección más habitual de la rosa de los vientos en el lugar. Dar estas características aerodinámicas a un edificio está bastante extendido, las posibilidades que dan los materiales como el acero y el hormigón en las estructuras y el uso del vidrio en las pieles de los edificios en forma de muros cortina Zulema de la Rosa Sanabria + Leonardo Agurto Venegas E-Mail: idril15@hotmail.com- leonardoagurto@gmail.com 11
  • 12. Aprovechamiento del Recurso Eólico en las Ciudades Universidad de ZaragozaMaster en Energías Renovables y Eficiencia Energética por ejemplo, colaboran mucho a que en la arquitectura moderna se puedan lograr morfologías aerodinámicas en los volúmenes, siendo una práctica cotidiana sobre todo en edificios de carácter corporativo. En esta configuración, dos edificios individuales y aerodinámicos son simétricamente colocados alrededor del eje de la turbina. De esta manera, los volúmenes son capaces de acelerar la velocidad del viento sin problemas, aunque solo para algunas direcciones. Otra característica es la altura de los edificios, siendo la dimensión predominante y mucho mayor que los demás dimensiones de éstos. La configuración por tanto, muestra dominante efectos 2D. El equivalente en 3D de esta configuración es menos eficiente y no se estudiará. Para esta configuración hay varios nombres: turbina eolica de viento canalizado, turbina envuelta, difusor-aumentador de turbina eólica. Generalmente, el término "aerogenerador de viento canalizado" se utiliza para denotar el principio fundamental del aumento de potencia con cuerpos aerodinámicos alrededor de un aerogenerador. Dentro de éstas se pueden distinguir por la forma de los conductos que generan, la "turbina envuelta" del "difusor-aumentador" como se muestra en la figura que sigue. Fig.24.- Configuraciones de ducto denominado envuelto (izquierda) y difusor-aumentador (derecha). Fig.23.- Imágenes de proyectos de edificios diseñados El flujo viene del lado izquierdo y las líneas de corriente se muestran como líneas delgadas. con configuraciones volumétricas aerodinámicas que integran en su fachada la turbina eólica. La situación de turbina envuelta está inspirada en la ingeniería aeroespacial, mientras que el difusor-aumentador está inspirado en la ingeniería mecánica. Los primeros experimentos se llevaron a cabo con difusores y se demostró que lo más importante era el perfil de salida. Esto marcó la evolución hacia la configuración envuelta que es mucho más corta. Para la turbina envuelta el coeficiente de potencia puede sobrepasar el máximo teórico debido al efecto de concentración de la envolvente. Eso se cuantifica con Ct,S según la siguiente fórmula: Este coeficiente Ct,S de concentración de la envolvente es difícil de estimar, se puede medir directamente o mediante la siguiente proporción entre el coeficiente de potencia y la velocidad de viento en la turbina: Hay un modelo simplificado de difusor aumentador, que obtiene un funcionamiento óptimo cuando la velocidad de salida es 2/3 de la velocidad a la entrada. Como la velocidad en la zona de la turbina es más alta porque el área es menor que a la salida del difusor, la relación de velocidades y por tanto la de potencias se ve aumentada por esta proporción entre áreas. (Ver fig 25). Si se tiene en cuenta que la presión a la salida del difusor es menor que la presión ambiente, hay un aumento en el coeficiente de potencia, esto se puede cuantificar como un área de salida mayor Ãex que depende del la forma del difusor, pero es aproximadamente un 40% mayor que Aex. Otra manera de calcularlo es mediante las láminas de vórtices, pero el cálculo más exacto de todos, es con la simulación CFD. A continuación se ve que el coeficiente de potencia disminuye con el diámetro de la turbina (Dt) y aumenta con la longitud de los edificios concentradores (c). Zulema de la Rosa Sanabria + Leonardo Agurto Venegas E-Mail: idril15@hotmail.com- leonardoagurto@gmail.com 12
  • 13. Aprovechamiento del Recurso Eólico en las Ciudades Universidad de ZaragozaMaster en Energías Renovables y Eficiencia Energética Fig.26.- Operación de un rotor envuelto, según el modelo de difusor simplificado. Fig.25.- Coeficiente de Potencia del actuador en función de Dt/c comprobado por cáculo CFD. Los aerogeneradores de viento canalizado son muy sensibles a la dirección del viento, en la gráfica se puede ver que al aumentar el ángulo de incidencia respecto a la orientación del edificio, disminuye el coeficiente de potencia. Fig.27.- Condición de flujo cuando la potencia de la turbina de viento Fig.28.- Variaciones de Cr,i según varía el ángulo phi, para una turbina eólica envuelta es cero.. entre entre dos perfiles o edificios aerodinámicos. Hay un ángulo para el que la potencia es cero, en los ángulos cercanos a 90º la potencia disminuye mucho, pero el flujo inverso (•=180º), produce casi tanta potencia como el flujo a 0º. 5. Conclusiones Hay varias razones para colocar las turbinas en la ciudad: así se produce en el mismo lugar en que se consume, no se altera el paisaje natural, y pueden ser elementos arquitectónicos de valor estético. También las hay para no hacerlo: el viento se ve frenado en el terreno edificado, es más racheado y variable que en el campo; además el ruido, las vibraciones mecánicas y la sombra intermitente molestan más si se encuentran en medio de una población. Dentro de las herramientas para conocer sobre este tema, las medidas experimentales son complicadas de realizar y la solución analítica a ecuaciones de mecánica de fluidos también. Hay que saber cómo utilizar el cálculo numérico, pero una vez modelizadas las turbinas y el edificio, CFD es la herramienta más práctica para sacar conclusiones sobre supuestos concretos. Para realizar una comparación de los tres tipos de turbinas ayudadas por edificios con una turbina común, se toma un rotor y un viento de las siguientes características: Zulema de la Rosa Sanabria + Leonardo Agurto Venegas E-Mail: idril15@hotmail.com- leonardoagurto@gmail.com 13
  • 14. Aprovechamiento del Recurso Eólico en las Ciudades Universidad de ZaragozaMaster en Energías Renovables y Eficiencia Energética Y la producción anual se da en la siguiente tabla para las configuraciones (por orden): turbina común, en cubiertas planas con bordes cortantes, en cúpulas, en el lateral de un cilindro, entre edificios canalizadores, con concentradores de placa simples y combinados. Se calcula para dos situaciones de diferente rugosidad: la ciudad y un prado. Al dividir la producción de los actuadores entre la de la turbina común se obtiene la CR, razón de concentración. El hecho de calcular para viento que viene por igual de todas las direcciones de la rosa de los vientos perjudica a las ideas fuertemente direccionales como el concentrador simple de placa o los edificios de canalización, pero es destacada la producción de turbinas cerca de edificios y especialmente en cúpulas. Contando con que en esta idea sólo es necesario colocar las turbinas, no hace falta construir edificios concentradores, se perfila como la opción más ventajosa. En el Reino Unido se ha colocado ya alguna turbina en tejado. En la tabla se cuenta con turbina de eje horizontal pero para cubiertas parece mucho más eficiente la H-Darrieus, una vez que su funcionamiento se modele con detalle tiene un futuro prometedor. 6. Problemas de captar energía eólica urbana Una de las desventajas de los aerogeneradores es que están lejos de ser silenciosos. Esta es una de las razones por las cuales normalmente los residentes no ven con buenos ojos la instalación de energía eólica en zonas residenciales. Parte del ruido que generan estas turbinas eólicas proviene del funcionamiento de los motores, pero su parte más molesta proviene de las vibraciones que generan las turbinas. “La gente encuentra estos sonidos particularmente molestos, similares a los que produce el zumbido de un mosquito” dice André Illgen, investigador asociado del instituto de tecnología Fraunhofer. Los generadores de energía eólica modernos adaptan la velocidad de rotación a la velocidad en que el viento se presenta lo que permite generar tanta energía como sea posible, pero al cambiar la velocidad también cambian las frecuencias de los zumbidos. Si bien existen actualmente dispositivos diseñados con el fin de amortiguar los ruidos molestos, estos no son muy eficientes. Sólo absorben el ruido cuando este alcanza cierta frecuencia. Otra forma de atenuar los sonidos molestos es hacer que los aerogeneradores funcionen a una potencia menor de su capacidad, con lo cual también generan menos energía, razón por la cual esta solución no es muy eficiente. Pero los investigadores no se dan por vencidos y siguen buscando soluciones, así un grupo de científicos de Fraunhofer junto a colaboradores de otras firmas están trabajando en un sistema activo de amortiguamiento para el zumbido generado por las turbinas. “El nuevo sistema reacciona automáticamente a los cambios en la frecuencia y amortigua el ruido sin importar cuan rápido este funcionando el aerogenerador” explica Illgen. La clave del dispositivo esta en su forma de accionar, ya que lo que hace es convertir la corriente eléctrica en movimiento mecánico y generar anti-vibraciones, una especie de antirruido que se contrapone al ruido de las turbinas y lo cancela. 7. - Bibliografía Tesis Doctoral: “Wind Energy in the Built Environment. Concentrator Effects of Buildings” Autor: Sander Mertens. Universidad Técnica de Delft.2006. Tesis Doctoral: “Adecuación Bioclimatica en la Subregión de Madrid, para el Diseño de los Edificios y sus Elementos Constructivos”. Fernando Da Casa Martín. Arquitecto. Depto. de Tecnología y Construcciones Arquitectónicas Esc. Técnica Superior de Arquitectura de Madrid. Madrid, Año 2000. Libro: “Arquitectura y clima: manual de diseño bioclimático para arquitectos y urbanistas”. Victor Olgyay. Barcelona. Trabajo “CFD en la arquitectura bioclimática. Aplicación CFD en el nuevo campo municipal de futbol en Zaragoza, España” Grupo de Energía y Edificación, Departamento de Máquinas y Motores Térmicos Universidad de Zaragoza, España. Junio 2009 Referencias web http://www.quietrevolution.co.uk/projects.htm http://www.landscapeandurbanism.blogspot.com/ Zulema de la Rosa Sanabria + Leonardo Agurto Venegas E-Mail: idril15@hotmail.com- leonardoagurto@gmail.com 14

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