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Calculadora: Eólica

Calculadora de densidad de potencia eólica (W/m²) con clases de viento del NREL

La densidad de potencia eólica es la mejor cifra única para comparar emplazamientos eólicos. Introduce una velocidad media, una altura y la k de Weibull y obtendrás los W/m², la clase de potencia eólica del NREL y cuánta energía se esconde en los vientos fuertes.

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Resultados

397 W/m² a 50 m: clase de potencia eólica NREL 3 («Aceptable»). Aprovechable con rotores modernos de baja potencia específica sobre torres altas. Usar solo la velocidad media (½ρv̄³) la subestimaría un 48 %.
Densidad de potencia eólica a 50 m
397W/m²
3476 kWh/m² de área de rotor al año
Clase de potencia eólica del NREL
3 · Aceptable
397 W/m² equivalentes a 50 m
Densidad del aire
1,212kg/m³
-1,1 % frente al estándar a nivel del mar
Factor de patrón energético
1,91
media(v³) ÷ media(v)³
½ρv̄³ simplificado (incorrecto)
208W/m²
no tiene en cuenta la distribución de velocidades
Escala de Weibull c
7,9m/s
Velocidad más frecuente
5,59m/s
Velocidad que aporta más energía
11,17m/s
dimensiona la velocidad nominal en torno a 1,2–1,5 veces este valor
Energía de los vientos ≥ 12 m/s
46,4%
los aerogeneradores la recortan casi toda a potencia nominal
Equivalente a 10 m
199W/m²
Clase IEC de aerogenerador a 100 m: II
Dónde está la energía: tiempo frente a energía según la velocidad

Clases de potencia eólica del NREL (Elliott et al., 1986)

ClaseCalificaciónW/m² at 10 mm/s at 10 mW/m² at 50 mm/s at 50 m
1Pobre0–1000–4,40–2000–5,6
2Marginal100–1504,4–5,1200–3005,6–6,4
3 ◀ túAceptable150–2005,1–5,6300–4006,4–7
4Bueno200–2505,6–6400–5007–7,5
5Excelente250–3006–6,4500–6007,5–8
6Sobresaliente300–4006,4–7600–8008–8,8
7Extraordinario400+7+800+8,8+
  • Las velocidades de las clases del NREL suponen densidad del aire a nivel del mar y una distribución de Rayleigh (k = 2); aquí la clase se asigna por densidad de potencia, que tiene en cuenta también tu k y tu densidad del aire.
  • La densidad de potencia eólica es la potencia que lleva el viento, no la que extrae un aerogenerador. Los rotores reales captan como máximo el 59,3 % (límite de Betz), en la práctica un 40–50 % a las mejores velocidades.

Cómo funciona esta calculadora

La potencia del aire en movimiento crece con el cubo de su velocidad: si el viento se duplica, la potencia se multiplica por ocho. Por eso la velocidad media, por sí sola, engaña: un sitio racheado y otro de viento constante con la misma media pueden llevar energías muy distintas. La densidad de potencia eólica (WPD) lo resuelve promediando el cubo de la velocidad sobre toda la distribución, ponderado por la densidad del aire.

La calculadora supone que el viento sigue una distribución de Weibull con tu velocidad media y tu factor de forma k (k = 2 es el caso de Rayleigh, el que se usa cuando no se sabe nada mejor). Calcula la densidad del aire a partir de la altitud y la temperatura, la densidad de potencia exacta, la clase de potencia eólica del NREL, el factor de patrón energético y las velocidades en las que de verdad se concentra la energía. El gráfico separa el tiempo de la energía: el viento pasa la mayoría de las horas a velocidades moderadas, pero buena parte de la energía llega con los vientos fuertes, que son menos frecuentes.

La fórmula

WPD = ½ × ρ × mean(v³) = ½ × ρ × c³ × Γ(1 + 3/k)

c = v̄ / Γ(1 + 1/k) (escala de Weibull) EPF = Γ(1 + 3/k) / Γ(1 + 1/k)³ (factor de patrón energético) WPD = EPF × ½ × ρ × v̄³ ρ = p / (287.05 × T), p = 101,325 × (1 − 2.2558×10⁻⁵ × z)^5.2559

Γ es la función gamma, p la presión del aire a la altitud z (m) y T la temperatura absoluta en kelvin. Con k = 2, el factor de patrón energético es 1,91; con los vientos racheados de interior, de k = 1,5, sube a 2,7, y con los alisios constantes, de k = 3, baja a 1,4.

Ejemplo práctico: 7 m/s a 50 m

Con los valores por defecto (velocidad media de 7,0 m/s a 50 m, k = 2, un emplazamiento a 200 m de altitud con una temperatura media de 10 °C), la densidad del aire a la altura de medición es de unos 1,21 kg/m³, un 1 % por debajo de la estándar.

  • Escala de Weibull c = 7,0 / Γ(1,5) = 7,90 m/s
  • WPD = ½ × 1,21 × 7,90³ × Γ(2,5) ≈ 397 W/m²
  • La estimación simplificada ½ρv̄³ = 208 W/m² se queda corta en casi un 50 %

Con 397 W/m² a 50 m, el sitio entra en la clase 3 del NREL («aceptable»), a las puertas de la clase 4. La velocidad más frecuente es de solo 5,6 m/s, pero la que aporta más energía es de 11,2 m/s, y casi la mitad de la energía llega con vientos de 12 m/s o más, velocidades a las que un aerogenerador ya está a potencia nominal y desperdicia el exceso. Por eso los aerogeneradores modernos, con rotores grandes y generadores modestos, captan una parte mayor de la energía de un emplazamiento.

Cómo leer los resultados

  • La densidad de potencia eólica es la cifra principal. Multiplícala por 8,76 y obtendrás los kWh por m² de rotor que atraviesan cada año el área barrida.
  • La clase del NREL se asigna a partir de la densidad de potencia convertida a 50 m con la ley potencial de 1/7, de modo que se pueden comparar con la tabla mediciones tomadas a cualquier altura.
  • El factor de patrón energético muestra cuánto amplifica la distribución de velocidades la potencia frente a la estimación con la velocidad media.
  • La velocidad que aporta más energía sirve de guía de diseño: los aerogeneradores suelen tener su velocidad nominal en 1,1–1,4 veces esa velocidad.
  • La clase IEC del aerogenerador va de la I (viento fuerte, 10 m/s de media) a la IV (6 m/s), según la velocidad media extrapolada a 100 m.

Valores típicos

Clase NREL Calificación WPD a 50 m (W/m²) Velocidad a 50 m (m/s)
1 Pobre 0–200 0–5,6
2 Marginal 200–300 5,6–6,4
3 Aceptable 300–400 6,4–7,0
4 Bueno 400–500 7,0–7,5
5 Excelente 500–600 7,5–8,0
6 Sobresaliente 600–800 8,0–8,8
7 Extraordinario > 800 > 8,8

Las velocidades de la tabla suponen densidad a nivel del mar y k = 2. Rangos reales típicos a 100 m: interior de Europa, 250–450 W/m²; costas y llanuras ventosas, 450–800 W/m²; mar del Norte, 800–1.000 W/m²; la Patagonia o islas expuestas, más de 1.000 W/m².

Consejos

  • Acierta con k. Una k de 1,6 en lugar de 2,0 sube la densidad de potencia un 30 % con la misma velocidad media. Ajusta k con datos medidos en la calculadora de Weibull.
  • Compara a la misma altura. Usa la calculadora de velocidad del viento en altura antes de comparar emplazamientos medidos a alturas distintas.
  • Corrige por altitud. Los emplazamientos de montaña y meseta pierden un 10–25 % de potencia por el aire menos denso, algo que pesa en la amortización de los aerogeneradores pequeños.
  • No olvides el límite de Betz. La WPD es el recurso, no la producción: para los kWh reales, usa la calculadora de aerogeneradores.

Limitaciones

Las distribuciones de viento reales no siempre son de Weibull. Los climas con brisa marina o monzón pueden ser bimodales, y los sitios muy tranquilos tienen más horas sin viento de las que predice el modelo. La densidad se toma a la temperatura media anual; la coincidencia estacional entre aire frío y vientos fuertes (habitual en Europa) eleva la densidad de potencia real unos pocos puntos porcentuales. Las clases del NREL suponen una ley potencial de 1/7, que puede no ajustarse a tu terreno. Para decisiones de inversión, calcula la densidad de potencia directamente con al menos un año de datos medidos cada 10 minutos.

Método e hipótesis

Densidad de potencia de un régimen de vientos de Weibull: WPD = ½ ρ c³ Γ(1 + 3/k), con escala c = v̄ / Γ(1 + 1/k). Equivale a ½ ρ v̄³ × EPF, donde el factor de patrón energético EPF = Γ(1+3/k)/Γ(1+1/k)³ (1,91 para k = 2). Densidad del aire con la fórmula barométrica a la altitud + altura y la temperatura corregida a 6,5 °C/km: ρ = p / (287,05 T). Para comparar con la tabla del NREL, la densidad de potencia se traslada a 10 m y 50 m con la ley potencial (WPD ∝ h^{3α}).

Preguntas frecuentes

¿Qué es la densidad de potencia eólica?
Es la potencia cinética que transporta el viento a través de un metro cuadrado perpendicular al flujo, promediada en el tiempo, en W/m². Reúne en un solo número la velocidad media, la distribución de velocidades y la densidad del aire, y por eso es la mejor cifra única para comparar emplazamientos eólicos.
¿Qué densidad de potencia eólica se considera buena?
A 50 m de altura, por debajo de 200 W/m² es pobre (clase 1 del NREL), 300–400 W/m² es aceptable (clase 3), 400–500 buena (clase 4) y por encima de 500–600 W/m², excelente. Los aerogeneradores modernos para vientos bajos hacen viables los emplazamientos de clase 3; en el mar es frecuente superar los 700–900 W/m² a la altura del buje.
¿Por qué no basta con aplicar ½ρv³ a la velocidad media del viento?
Porque la potencia depende del cubo de la velocidad, y la media de los cubos es mayor que el cubo de la media. Con una distribución de Rayleigh típica (k = 2), la densidad de potencia real es 1,91 veces ½ρv̄³, así que usar solo la velocidad media la infravalora casi a la mitad.
¿Cómo influye la densidad del aire en la potencia eólica?
La potencia es directamente proporcional a la densidad del aire. El aire estándar a nivel del mar y a 15 °C tiene 1,225 kg/m³; a 1.500 m de altitud la densidad es un 15 % menor, y el aire caliente es menos denso que el frío, de modo que el viento de invierno transporta algo más de potencia que el de verano a la misma velocidad.
¿Qué parte de la densidad de potencia eólica puede captar un aerogenerador?
Como máximo el 59,3 % (el límite de Betz). Los rotores reales captan un 40–50 % cerca de su mejor velocidad de viento, y mucho menos por encima de la velocidad nominal, donde descartan potencia a propósito. A lo largo de un año, un aerogenerador suele convertir en electricidad el 20–35 % de la potencia del viento que atraviesa su rotor.
¿Qué son las clases de potencia eólica del NREL?
Son siete clases definidas en el US Wind Energy Resource Atlas de 1986 según la densidad de potencia a 10 m y a 50 m: de la clase 1 (pobre) a la clase 7 (extraordinaria). Se pensaron para los aerogeneradores de los años ochenta, a poca altura, así que hoy sirven sobre todo para comparaciones generales; los proyectos a escala comercial miran ya directamente la velocidad y la densidad de potencia a la altura del buje.

Fuentes y referencias

  1. Elliott, D.L. et al. (1986). Wind Energy Resource Atlas of the United States. DOE/CH 10093-4, Pacific Northwest Laboratory
  2. Global Wind Atlas (DTU / World Bank): mapas de densidad de potencia media
  3. Manwell, J.F., McGowan, J.G., Rogers, A.L.: Wind Energy Explained, 2nd ed., Wiley
  4. Justus, C.G., Hargraves, W.R., Mikhail, A., Graber, D. (1978). Methods for estimating wind speed frequency distributions. Journal of Applied Meteorology 17

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