Resumen: Se presenta una síntesis de los trabajos realizados para la determinación del campo de velocidad media en la zona sur del Uruguay, a nivel de microescala meteorológica. Esto fue llevado a cabo utilizando por primera vez una combinación de técnicas de moderación física y numérica las cuales otros autores han empleado separadamente con buenos resultados. A partir de los datos , que básicamente son la topografía y los valores de velocidad del viento tomados de la red meteorológica regular, un modelo numérico genera el campo de velocidad media horario en la región de estudio .Utilizando este campo de velocidades como condición de borde de los modelos físicos de las zonas de interés se resuelve el campo de velocidades medias y de intensidad de turbulencia local, en la microescala meteorológica, bajo la hipótesis de atmósfera neutra. El resultado toma la forma de una predicción determinista, de los valores de velocidad media

Summary: It is present a synthesis of the works did for the determination of the average speed field on the Uruguay’s south region to level of meteorological microscale. This work has been done utilizing a combination of fisical and numerical simulation that in the past have been used separately with goods results. Basically the numerical model generates an average speed field valid at level of meteorological network’s data and topografical’s data. The fisical model is used to resolve the average speed field and turbulence intensity field to level of meteorological microscale using the numerical model’s results as a boundary condition. The final result is a deterministic prediction of the average speed values to level of meteorological microscale.
 

1-  PLANTEO DEL PROBLEMA
 
En 1988 la UTE ( Administración Nacional de Usinas y Transmisiones Eléctricas ) planteo la necesidad de hacer una evaluación del potencial eólico nacional.
Como antecedentes, se tenia una serie de campanas con medidas de campo, realizadas sobre topografía compleja (alturas del orden de 300 mts), a principios de la década del 60. De estos estudios , se inferían interesantes posibilidades, ya que se llegaron a registra medias anuales de hasta 11 m/s. ( Cambilargiu,1963,Ref.13)
Los únicos registros tomados sistemáticamente durante largos periodos están usualmente medidos en sitios que no son los mas apropiados para propósitos energéticos, ya sea, aeropuertos, ciudades o parques dentro de las mismas.
Por otra parte, los sitios mas adecuados para la explotación del recurso eólico resultan estar ubicados en zonas donde hay terreno con suaves ondulaciones (topografía compleja). Estas zonas son típicamente excluidas se las redes meteorológicas tradicionales. Es necesario ,pues, conciliar la necesidad de determinar la historia de vientos en zonas apartadas, de orografía compleja , haciendo uso de los registros regulares tomados en llanura.
A estos efectos, existen técnicas que pueden clasificarse en subjetivas y objetivas. Entre las primeras, justificables solamente para regiones con muy baja densidad de datos meteorológicos, se ubican el análisis por parte de un experto de diversos indicadores, como los forestales, etc., que han descartado en este caso ( Druyan ref. 7 ). Los métodos objetivos, por el contrario, no son dependientes de la pericia del analista. De entre ellos, se ha implementado una versión de modelos derivados del uso de la ecuación de continuidad, para la determinación del campo de velocidades medias, con resolución del orden de los kilómetros. Estos modelos utilizan datos de viento tomados de las estaciones meteorológicas, y la topografía compleja. El resultado es un campo de velocidades medias , ajustado al terreno, y que cumple la condición de continuidad. Son ejemplos de este enfoque, los trabajos de Sherman, 1978 ( ref. 1) , Endlich et al, 1982 (ref.3), Bhumralkar el al , 1980 ( ref 2) y Traci et al , 1978 ( ref. 6 ). Es pertinente observar que si bien existen modelos mas sofisticados para predecir el campo de velocidades dentro de la capa limite atmosférica, ellos son de difícil aplicación para la prospección eólica.
Ahora bien, un factor importante para la correcta operación de los aerogeneradores, es que su emplazamiento sea en sitios con niveles de turbulencia acotados. Es conocido también la fuerte dependencia que existe entre el campo de velocidades medias del viento, y las características locales del terreno. A los efectos de resolver esto a la microescala meteorológica (longitudes del orden de los cientos de metros), se ha recurrido tradicionalmente a la modelación física. Son ejemplos de ello los trabajos de Neal, 1979, (ref.9), Teunissen et al, 1985 (ref. 5).
Estos modelos, no permiten, en principio, inferir series temporales, ya que solo muestran ventajas relativas entre puntos dentro de una misma zona.
En el trabajo aquí presentado, se han aplicado por primera vez, en el conocimiento de los autores, las dos técnicas antes mencionadas. Dichas técnicas han sido, en el pasado, aplicadas separadamente, por diversos autores, con buenos resultados. El modelo numérico proporcionara la serie temporal de valores de velocidad media de viento en puntos interiores de una grilla gruesa ( 10 a 15 Km de paso). Mediante el uso de la modelación física se podrá relacionar la velocidad media del viento en los bordes de las zonas particulares de estudio con la velocidad media en sitios interiores a la misma, así como los niveles de condición de borde de las zonas particulares de estudio el resultado del modelo numérico se infiere , con la ayuda del resultado de la modelación física, la serie temporal de valores de velocidad media de viento en los sitios elegidos en las mismas.

 
2- MODELACION FISICA

2.1- Simulación de la capa limite atmosférica (CLA)

La evaluación del potencial eólico interesa ser efectuado en las llamadas condiciones de vientos fuertes. En estas condiciones el flujo desarrollado en la atmósfera se caracteriza por ser estacionario, turbulento, incompresible y térmicamente neutro. Considerando además el tipo de terreno que interesa estudiar, el flujo resulta ser aerodinámicamente rugoso.
Los parámetros del viento atmosférico que interesan ser simulados en este caso son la altura de la CLA , la distribución de la intensidad de la turbulencia en altura, verificándose así mismo la adecuada simulación del espectro de potencia de la componente fluctuante longitudinal de velocidad
Debido a que el túnel de viento utilizado en la presente modelación tiene una sección de trabajo excesivamente corta, se hace necesario generar la capa limite en forma artificial. El método propuesto por Couniham, J.,1969 ( ref.10 ), el que cumple mas adecuadamente con los requerimientos exigidos, pues otros métodos, como el propuesto por Campbell, G.S. et al., 1969(ref 12 ), requieren de mayores distancias para lograr una adecuada simulación de la CLA. El método propuesto por J. Couniham consiste en colocar viento arriba de la zona de estudio una grilla de los llamados simuladores de cuña elíptica.
Mediciones de velocidad de viento atmosférico efectuados a distintas alturas sobre el suelo han servido para verificar que la distribución de la velocidad media con la altura ajustada aproximadamente con una función potencial como la siguiente

En al figura 1, se presentan las medidas efectuadas flujo debajo de las simuladores, y la ley potencial.

En cuanto a la intensidad de turbulencia local. en la figura 2 se observa el buen ajuste logrado entre las medidas efectuadas en el túnel de viento, y la distribución de intensidad de turbulencia en altura deducida a partir de medidas efectuadas en la atmósfera realizadas en un sitio con una rugosidad similar a la que presentan las zonas ensayadas.
Para el espectro de potencia de las fluctuaciones turbulentas de velocidad en la dirección del flujo medio, existen formulaciones empíricas de las cuales la mas aceptada es la propuesta por Harris, I., 1975 (ref. 17)

2.2- Ensayo de los modelos físicos

La evaluación del potencial eólico se efectúo sobe cinco zonas circulares de 6km de diámetro, situadas en el sur del país. Las mismas presentaban como principales características alturas mayores a los 200 m , pendientes suaves y cercanas a las líneas de transmisión de Alta Tensión, existentes o proyectadas. La información requerida para construir los modelos de topografía es el valor de la cota del terreno en nodos de una malla de 100m de paso. Cada malla abarcaba una zona cuadrada de 6 Km de lado en la cual se inscribía la zona a modelar. Luego se determinaron las curvas de nivel cada 10m, cuyo trazado a escala de modelo fue efectuado con un trazador gráfico HP DRAFTPRO. Para la confección de los modelos físicos se siguió entonces el procedimiento descripto por Neal, D. , 1979 (ref. 9).
Las medidas que se efectúan sobre los modelos físicos tienen por objetivo determinar la variación que sufre la velocidad media del viento sobre las colinas respecto al viento de llanura para distintas direcciones de incidencia . Esta variación se cuantifica a través del cociente entre la velocidad media del viento sobre las colinas a cierta altura sobre el suelo y la velocidad media del viento de llanura a la misma altura sobre el suelo para la dirección considerada . Se toma como viento de llanura el existente en un punto preestablecido viento arriba del modelo.
A los efectos de la evaluación del potencial eólico los sitios se eligieron sobre la cima de las colinas, donde la velocidad del viento sufre el mayor incremento y por lo tanto donde la potencia extraible del viento es lo mayor posible.
A los efectos de elegir el espaciamiento entre los puntos de medida sobre las colinas y las alturas sobre el suelo a las cuales se efectúan las medidas, se trabajó con las dimensiones típicas de aerogeneradores de eje horizontal de 500 Kw. Estos aerogeneradores tienen un rotor de aproximadamente 30m de diámetro y su eje horizontal es la existente a la altura de su eje, por lo que las medidas se efectuaron a 30m sobre el suelo ( aproximadamente 5.5mm a escala de modelo).
En cuanto al espaciamiento horizontal de los puntos de medida, en Lissaman, Zalaya, Gyatt, 1982 ref. 18) existen recomendaciones acerca de la distancia mínima que debe existir entre aerogeneradores consecutivos. En este trabajo se aconseja que en la dirección perpendicular a viento la distancia mínima sea tres diámetros de rotor y en la dirección del viento diez diámetros de rotor ( 16 mm y n54.5mm respectivamente a escala de modelo). En la figura 4 se visualizan los sitios en una de las zonas de interés .Los ensayos realizados consistieron en medir la componente colineal al eje del túnel de viento de la velocidad media y de las fluctuaciones turbulentas del viento en los puntos seleccionados. A partir de estas medidas se calcularon los cocientes de velocidad en cada sitio Estas cifras brindan un método rápido para evaluar las bondades de los sitios del punto de vista eólico. Es deseable que la intensidad de turbulencia se mantenga por debajo de cierto valor ( 15%) y el cociente entre velocidades medias sea lo mayor posible.
 

2.3 Instalaciones y equipo

Los trabajos aquí descritos relacionados a los modelos físicos fueron efectuados en las instalaciones del Instituto de Mecánicos de los Fluidos e Ingeniería Ambiental de la Facultad de Ingeniería. Este instituto cuenta con un Túnel de Viento cuya sección de trabajo tiene 1.6m de ancho , 1.2m de alto y 3.6m de longitud. La circulación de aire se realiza por medio de un ventilador axial el cual es movido por motor de c.c de excitación independiente de 5.9Kw nominales. Las velocidades del flujo de aire fueron medidas con un anemómetro de hilo caliente de temperatura constante marca TSI Incorporated modelo IFA100 de un canal. Cuando solo se requerían medidas de velocidad media se utilizo un tubo Pitot de 2mm de diámetro midiéndose la diferencia de presión con un tubo U de rama inclinada con una apreciación de 0,025mm de columna de agua. El análisis espectral de la señal emitida por el anemómetro fue efectuada por un analizador de espectros, Hewlett Packard 3582 A. A partir del registro efectuado por el analizador de espectros y con la ayuda de un programa BASIC corrido en un computador Hewlett Packard HP85B se dedujo el valor de la media cuadrática de las fluctuaciones turbulentas de velocidad.
El posicionador de los sensores de los instrumentos medidores de velocidad se efectúo con la ayuda de un brazo electromecánico diseñado y construido a los efectos del presente trabajo. Este brazo se mueve según un sistema de coordenadas cilíndricas con cuatro grados de libertad, teniendo una precisión en el movimiento vertical de 0,1mm y en el movimiento horizontal de 1mm. Detalles del mismo se encuentran en la ref. 15 .

 
3- MODELACION NUMERICA

El modelo matemático de interpolación, tomara como volumen de trabajo , un recinto comprendido entre el suelo y una superficie a una altura suavemente variada sobre el terreno. Estas superficies se supondrán impermeables al flujo mientras que los bordes laterales serán permeables al paso del aire. Este volumen podrá tener una base de aproximadamente 200*200 Km, limitado por la capacidad del computador utilizado. Y una altura del orden de los 500 a 1500 mts. El modelo interpola los datos meteorológicos a una grilla rectangular , regular, de 10’ de lado. El producto del modelo, es una vinculación de tipo determinista, entre las velocidades leídas en las estaciones sinópticas, y la velocidad calculada en cada uno de los puntos de esa grilla.
Esto permite, mediante la existencia de las series históricas de viento, inferir series temporales para los puntos interiores a la grilla.
Esencialmente se ha seguido la metodología propuesta por Sherman (ref. 1) , que proponía ajustar el campo de velocidad de viento, utilizando como ecuación de trabajo, la de continuidad.
Si se llaman u(x,y,z), v(x,y,z), w(x,y,z) a las componentes de velocidad de Este a Oeste, de Sur a Norte y hacia arriba, del vector , se puede descomponer
 

Siendo landa el multiplicador de Lagrange, Las ecuaciones que resultan de tomar derivadas parciales respecto a las variables, (u,v,w) son:

Tomando nuevamente derivadas parciales, sumando las ecuaciones precedentes, y teniendo en cuenta la condición de continuidad, resulta:

que tiene la forma de la ecuación de Poisson.
es el dominio de integración, definido como se indico previamente
,  coeficientes de ponderación, utilizados para favorecer relativamente la variación de las componentes horizontales de la velocidad frente a las verticales.
u,v,w componentes del vector 
,,componentes del vector 
Como condición de borde, se plantean dos casos:

1. En el piso y techo del dominio, se impone  (no penetración).
2. En las paredes laterales, se hace = cte, con lo que se permite un libre flujo de masa por las mismas.

4- RESULTADOS

A partir de la aplicación de la modelación numérica, se construyeron series históricas de velocidad de viento en los bordes de las zonas de interés. La modelación física permitió obtener los cocientes entre la velocidad media en los sitios seleccionados sobre las zonas y la velocidad media en los sitios seleccionados sobre las zonas, y la velocidad media en el borde de las mismas , así como el nivel de turbulencia existente en los sitio. En la tabla 1 se presenta este resultado para una de las zonas estudiadas (Piriápolis 1). En la columna encabezada por la palabra punto se especifican los puntos del modelo sobre los cuales se efectuaron las medidas ( ver figura 4 ). Luego para cada dirección ensayada los resultados se ordenan en dos columnas, en la primera el cociente entre la velocidad media sobre el punto y la velocidad media sobre el punto de referencia y en la segunda la intensidad de turbulencia local longitudinal.
A partir de estos dos conjuntos de resultados, se obtuvieron series históricas de velocidad de viento en los puntos seleccionados sobre las zonas. Utilizando las mismas, es posible a su vez, simular las series históricas de potencia generada en los mismos puntos, para ese periodo. A partir de la historia de velocidades medias se obtuvo que sobre los puntos 1 a 6 (ver figura4) la velocidad media anual es de 10m/s ( esto fue calculado utilizando datos del año 1982).
A los efectos de verificar las bondades de la simulación en su conjunto, fue considerada como zona de interés los alrededores de la ciudad balnearia de Piriápolis ( Piriápolis 1) . En esa región, fueron efectuadas medidas de velocidad de viento, en el correr e 1960, por el Ing. Cambilargiu(ref. 13)
En particular, sobre el cerro de San Antonio (puntos 1 a 6 figura 4), elevación 115mts de altura, ubicada sobre la costa , las medidas realizadas en 1960 registraron una media anual de 11m/s. El valor estimado , antes presentado, muestra una diferencia con este resultado de 9.1% lo cual significa que en términos de potencia se verifica una diferencia del 24%. Esto resulta un aceptable nivel de error en la estimación de la potencia a los efectos de la presente etapa de estudio.
En la actualidad, el Ministerio de Industria y Energía esta llevando a cabo , en conjunto con otro organismos , una campaña de la cual permitirá en un futuro próximo, cotejar las predicciones con las medidas tomadas.

Reconocimientos:

- Agradecemos a la U.T.E la autorización para publicar los presentes resultados.