Manual de Aplicación de la Energía Eólica MINISTERIO DE MINAS Y ENERGIA INSTITUTO DE CIENCIAS NUCLEARES Y ENERGIAS ALTERNATIVAS INEA

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1 MINISTERIO DE MINAS Y ENERGIA INSTITUTO DE CIENCIAS NUCLEARES Y ENERGIAS ALTERNATIVAS INEA MANUAL DE APLICACIÓN DE LA ENERGÍA EÓLICA Autor: Alvaro Pinilla S., Ph.D., M.Sc., Ingeniero Mecánico Contrato INEA Julio de 1997.

2 Dr. Orlando Cabrales Ministro de Minas y Energía Dr. Cesar Humberto Arias Pabón Director General INEA. Dr. Alfonso Salazar Subdirector General de Energía INEA Dr. Felipe Rodríguez P. Jefe División de Energías Alternativas Grupo Energía Eólica INEA. Este documento se realizó con el patrocinio del Instituto de Ciencias Nucleares y Energías Alternativas (INEA), Instituto anexo al Ministerio de Minas y Energía. Ni el Ministerio de Minas y Energía, ni el Instituto de Ciencias Nucleares y Energías Alternativas (INEA), ni ninguno de sus empleados, contratistas, subcontratistas, o sus empleados, darán alguna garantía, explícita o implícita, o asumirán alguna responsabilidad legal o responsabilidad por la precisión, perfección o utilidad de alguna información, aparatos o equipos, productos o procesos revelados o mencionados, ni representa que su uso no infringirá los derechos de privados. Los puntos de vista, opiniones y conclusiones contenidas en este documento son los del contratista y no necesariamente representan las del Ministerio de Minas y Energía o las del Instituto de Ciencias Nucleares y Energías Alternativas (INEA). CopyRight INEA ISBN Nº: Fotos, mapa y referencias Internet actualizadas 2003 Autor: Alvaro Pinilla S., Ph.D., M.Sc.,Ingeniero Mecánico Contrato INEA Revisión: Físico Felipe Rodríguez P. Ing. Luis Carlos Romero R. Ing. Victor Hugo Gil G. Grupo Energía Eólica. INEA Fotos Ing. Luis Carlos. Romero R. Colaboración: Ing. Luis Mario Mateus Ing. Juan Pablo Uribe Ing. Adriana Gómez M. Publicación Convenio Instituto de Ciencias Nucleares y Energías Alternativas Universidad de Los Andes. ii

3 PRESENTACION A nivel Internacional el aprovechamiento de las energías renovables es bastante amplio y esta contemplado en una forma importante en la planeación energética de varios países, llegando a tenerse dentro de sus planes de expansión energéticos un aporte de más del 20% de sus necesidades de energía suministrado por energías renovables. En el caso de la energía eólica se tiene una capacidad instalada que supera los 6000MW en conexión a la red a nivel mundial y varios países planean cubrir hasta un 10% de su demanda energética en conexión a red, con esta fuente, entre el 2000 y el En Colombia a pesar de sus importantes recursos Energéticos convencionales como el Carbón, gas, petróleo y los recursos hídricos a gran escala, se presenta problemas en el suministro de energía a todo el país, situaciones difíciles en este sector se han vivido en el pasado, en algunos casos por ser zonas aisladas de difícil acceso y distantes del sistema interconectado, y en otras por variaciones climáticas. Es allí donde los recursos energéticos no convencionales de carácter renovable como: Energía Eólica, Energía Solar, Biomasa, Pequeñas Centrales Hidroeléctricas y Geotermia, que están disponibles también en el país para su aprovechamiento, son alternativas de solución y de diversificación de la oferta energética y por consiguiente para la confiabilidad del Sistema Energético Nacional. Como directrices políticas, el Gobierno Nacional asignó al Instituto de Ciencias Nucleares y Energías Alternativas -INEA, la labor de promover y difundir el desarrollo y aprovechamiento de estas fuentes no convencionales en el país, labor que el INEA, en su División de Energías Alternativas, acertadamente ha venido desarrollando para cada fuente según su disponibilidad y grado de desarrollo de cada una. Para el caso de la Energía Eólica, el INEA ha identificado que una de las principales barreras para la difusión de su aprovechamiento, es el desconocimiento de su potencial de aplicación, y de la tecnología que esto involucra; en el país la principal aplicación es el bombeo de agua, que tienen una participación importante en el contexto nacional, principalmente en la Guajira, los Llanos orientales y algunas zonas de la Región Andina, aunque su potencial amerita un mayor aprovechamiento, hay también algunas aplicaciones para generación de energía eléctrica puntuales, esto ha motivado la necesidad de cuantificar el recurso eólico, para tenerlo en cuenta en los planes de expansión del sector energético. Por tanto el INEA, planteó el proyecto Levantamiento y Publicación del mapa de vientos de Colombia, y como parte de este proyecto contempló, elaboró y publicó, el Manual de Aplicación de la Energía Eólica, que mediante un lenguaje sencillo permite a las personas adquirir un conocimiento básico y práctico del aprovechamiento del recurso eólico, con lo cual pueden aplicar la información que contiene un mapa de vientos preliminar. Este documento va dirigido a fabricantes, usuarios y gente interesada en el tema de sistemas eólicos a pequeña escala, aunque algunos elementos se pueden aplicar a gran escala, de tal forma que le sirva como una guía práctica para su conocimiento y aplicación. Cesar Humberto Arias Pabón Director General Instituto de Ciencias Nucleares y Energías Alternativas- INEA iii

4 PROLOGO El viento, ha sido una de las fuentes de energía más utilizada por el hombre a través de su historia, aprovechándolo desde la navegación a vela, pasando por diferentes aplicaciones con los llamados molinos de viento, en labores como molienda de grano, bombeo de agua y sistemas de fuerza motriz, hasta llegar en la actualidad a la generación de energía eléctrica desde sistemas individuales de algunos vatios de potencia, hasta sistemas de varios Megavatios conectados a las redes nacionales de energía. En Colombia la utilización de los molinos de viento en labores de bombeo de agua o aerobombeo, se inició desde principios de este siglo y se afianzó en los 50 s con masivas importaciones de equipos especialmente para la región de la Guajira. En la actualidad se continua su aprovechamiento, con una industria nacional de equipos, algunos con diseños propios y otros fabricando copias de marcas extranjeras, y concesionarios para equipos importados. Se ha detectado, que algunos de los principales obstáculos para que la energía eólica amplíe su utilización en el país, es el desconocimiento de la tecnología y del potencial energético de recurso eólico en Colombia. En el área del conocimiento del recurso eólico, se han hecho algunos intentos por conocer el potencial energético real del recurso viento, para lo cual se ha desarrollado algunos estudios regionales. Finalmente en el año 1993 el INEA planteo el Proyecto Levantamiento y Publicación del mapa de Vientos de Colombia, que se viene desarrollando en forma conjunta con el IDEAM antiguo HIMAT (entidad encargada de tomar los registros meteorológicos del país), con este proyecto se busca llegar a una aproximación del potencial energético del recurso eólico del país. El mapa de vientos, por su carácter global, nos permite solo una primera aproximación al potencial del recurso, por lo cual para instalaciones de aprovechamiento específicas es necesario hacer una serie de procedimientos puntuales. El objetivo de este manual es dar al potencial usuario las herramientas de conocimiento básicas, que permitan esta última labor y a la vez generar un criterio de selección de sistemas disponibles en el mercado, para aplicaciones a pequeña escala, en labores de generación de energía eléctrica y bombeo de agua. Por lo cual el INEA contrató al Ingeniero Alvaro Pinilla para realizarlo bajo la supervisión del Grupo de Energía Eólica del Instituto. Para lograr este objetivo, este documento contiene secciones que le permitirán tener un conocimiento básico de la tecnología, de como funciona el recurso viento, guías para estimar la energía aprovechable del viento involucrando turbinas eólicas, los componentes de los diversos sistemas de aprovechamiento del viento, guías generales de instalación, mantenimiento y operación de equipos, posibles proveedores, y bibliografía donde buscar más información al respecto, además de un mapa preliminar del recurso viento. Ing. Luis Carlos Romero R., M.Sc. Grupo de Energía Eólica. Instituto de Ciencias Nucleares y Energías Alternativas (INEA) iv

5 INDICE PRESENTACION...III PROLOGO...IV INDICE...1 CAPITULO 1 - INTRODUCCION A LA ENERGIA EOLICA...3 CAPITULO 2 EL RECURSO VIENTO EL RECURSO EOLICO PATRONES GLOBALES DE CIRCULACION DEL VIENTO ESCALAS DE VIENTOS: VARIACION HORIZONTAL VARIACION DEL VIENTO CON LA ALTURA SOBRE EL TERRENO CALCULO DE LA POTENCIA DEL VIENTO INFORMACION NECESARIA PARA EVALUAR EL USO DE LA ENERGIA EOLICA Datos Meteorológicos Requeridos METODOS UTILIZADOS PARA MEDIR LA VELOCIDAD DEL VIENTO Información Empírica Anemómetros Totalizadores Método de Correlación Instalación de Pequeños Equipos Eólicos Adquisición de Datos en Tiempo Real CAPITULO 3 - ESTIMACION DE LA ENERGIA EOLICA...20 METODOLOGIA DE EVALUACION DE ENTREGA DE ENERGIA...20 CAPITULO 4 - TECNOLOGIA EOLICA COMPONENTES DE LOS EQUIPOS DE CONVERSION DE ENERGIA EOLICA ROTOR SISTEMA DE TRANSMISION TORRE SISTEMA DE SEGURIDAD GENERADOR CONEXIONES ELECTRICAS Y CONTROLADORES SISTEMA DE BOMBEO CAPITULO 5 - IMPLEMENTACION DE PEQUEÑOS SISTEMAS EOLICOS OBRA CIVIL LEVANTAMIENTO INSTALACIÓN DE LA BOMBA MANTENIMIENTO ALTERNATIVAS...41 BIBLIOGRAFIA...42 OTRAS FUENTES DE INFORMACION...44 RED ELECTRONICA...46 APENDICE A...47 APENDICE B...48 APENDICE C...50

6 APENDICE D...51 Método de costo de energía Método de tiempo de pago Método de ciclo de vida APENDICE E...52 AEROBOMBAS...52 CONCESIONARIOS...52 AEROGENERADORES...53 OFERTA DE EQUIPOS EOLICOS FUERA DE COLOMBIA...53 APENDICE F...56 Página 2

7 CAPITULO 1 - INTRODUCCION A LA ENERGIA EOLICA La energía eólica o del viento ha sido utilizada por cientos de años para molienda de granos, bombeo de agua y otras aplicaciones mecánicas. En la actualidad, existen más de un millón de molinos de viento en operación alrededor del mundo; estos se utilizan principalmente para extracción y bombeo de agua. Mientras el viento seguirá siendo utilizado para bombeo de agua, el uso de la energía eólica como fuente energética libre de polución para generación de electricidad es una alternativa atractiva que en los últimos años ha acrecentado el interés de muchos países para su implementación como fuente de generación eléctrica. Estrictamente hablando, un molino de viento es utilizado para moler granos, así que molinos de viento modernos tienden a conocerse mejor como turbinas eólicas, parcialmente porque su función es similar a las turbinas de gas o de vapor para generación de electricidad. En algunas ocasiones también se les conoce, en la actualidad, como Sistemas de Conversión de Energía Eólica (SCEE). Aquellos sistemas que son utilizados para generar electricidad se conocen como Aerogeneradores y aquellos utilizados para extracción y bombeo de agua se conocen como Aerobombas. La energía eólica ofrece un importante potencial para el suministro de cantidades sustanciales de electricidad sin los problemas de polución que presentan la mayoría de las formas convencionales de generación. Después de la crisis energética mundial que se presenta en el año de 1973, se impulsa un interés global por el desarrollo y uso de fuentes alternativas de energía como energía solar térmica, fotovoltaica, eólica, microhidroelectricidad, de las mareas, de las olas, la geotermia, el uso de la biomasa, entre otras. Durante la década de los ochenta, la energía eólica recupera su estatus de primer orden perdido a principios del siglo XIX al presentarse grandes desarrollos tecnológicos, pasándose de plantas pilotos y prototipos experimentales hasta la realidad comercial de sistemas eólicos que han demostrado alta confiabilidad y buena disponibilidad en la operación y entrega de energía eléctrica. En los comienzos de los ochenta solo dos países contaban con programas nacionales de utilización de la energía eólica para el suministro masivo de energía eléctrica (Estados Unidos y Dinamarca), y ya hacia finales de los ochenta eran más o menos catorce los países con programas nacionales de uso de la tecnología eólica. Este auge en la industria eólica, en tan pocos años, ha permitido distinguir algunas compañías comerciales que han logrado madurez tecnológica en su oferta de equipos de manera que han sobrevivido ante un número creciente de empresas que han surgido y desaparecido en los últimos tiempos. En la actualidad y en varios países, en conjunto, para conexión a red se han instalado más de 25,000 turbinas eólicas de diversos tamaños y potencias nominales, con una tendencia a estandarizar el tamaño óptimo por turbina individual de nivel de potencia nominal de 250 Kw eléctricos y tamaños que oscilan entre 25 y 30 metros de diámetro. Los equipos instalados exceden una capacidad global de 6200 Mw (1996) (AWEA)y una producción anual energética en exceso de los 13,000 millones de Kwhr, lo cual ha demostrado que cuando se instalan equipos en condiciones favorables de viento, la viabilidad económica de estas instalaciones la hacen competitiva a alternativas convencionales de suministro de energía. Vale la pena anotar que de todas las tecnologías de energías renovables, la energía eólica ha emergido como una de las más ventajosas, como consecuencia del número de instalaciones y la potencia global instalada, sin ser comparable, por ninguna otra fuente renovable de energía. Para dar una perspectiva más amplia de lo que han significado los últimos avances tecnológicos en esta alternativa energética, es necesario mencionar a continuación algunos de los programas nacionales de implementación y uso de turbinas eólicas a gran escala. Página 3

8 El Estado de California en Estados Unidos tiene la utilización local más amplia a nivel mundial, donde cifras indicativas, estiman en 1497MW la capacidad operativa en 1996, en todo Estados Unidos la capacidad es de alrededor de 1794 MW,.y se planea para el 2005 tener otros 2700MW más instalados. El Segundo país en capacidad instalada es Alemania con 1575 Mw de los cuales instaló 439 MW en Dinamarca otra de las potencias tecnológicas en esta área tiene instalados alrededor de 800 MW(1996), más de 6000 turbinas eólicas alcanzando un suministro de 6% de sus necesidades eléctricas, es importante anotar que 600 MW son manejados por electrificadoras privadas y 200 MW por electrificadoras públicas, el gobierno Danés pretende para el 2005 cubrir un 10% de la demanda de energía, alrededor de 1500MW. En Holanda, la energía eólica contribuye con unos 300MW instalados, con la meta de 1100 MW para el España tiene instalados 261MW, El Reino Unido posee 264 MW y aspira a tener 1000MW para el 2000 con una mezcla de energías renovables. Dos programas importantes para los países del Tercer Mundo son los programas de la China (57MW)y la India, donde a través de programas demostrativos estatales y adecuada transferencia tecnológica de países del Primer mundo, se han establecido programas ambiciosos de uso de la tecnología eólica hasta el punto que la India, tiene instalados a MW, con un ingrediente importante de fabricación local en este programa. Países como Japón, Rusia, Rumania, Costa Rica (20 Mw instalados para 1996y tiene planeado cubrir hasta el 10 % de su demanda en corto plazo), Grecia (30MW), Argentina, Brasil (1 Mw en 1995), entre otros, tienen también programas nacionales de suministro eléctrico con energía eólica. En términos generales se puede observar que en el ámbito mundial existe una masiva utilización de equipos eólicos para suministro de energía y cuyo futuro será más ambicioso todavía. Para dar un ejemplo, el programa de la Unión Europea de implementación de la tecnología eólica se está dando por fases como sigue: Para el año 2000 la Unión Europea contará con 4,860 Mw instalados lo cual representa un aumento en 15 veces la capacidad instalada en Este programa implica la instalación de, al menos, 18,000 turbinas con promedio de 250 Kw de potencia nominal por unidad y una inversión de US$ 6,000 millones. Para el año 2005, se tendrán instalados 18,500 Mw; para el año 2010, 25,000 Mw y para el año 2030, 100,000 Mw. Se estima que el total de turbinas instaladas utilizaran una extensión física de terreno de 8300 Kilómetros cuadrados, de los cuales las turbinas eólicas ocuparán solo el 1% del total. Página 4

9 CAPITULO 2 EL RECURSO VIENTO 2.1 EL RECURSO EOLICO La determinación precisa del recurso eólico es una tarea difícil e incierta, especialmente cuando se compara con la energía solar o la energía hidráulica. Las razones para esto son las siguientes: * Una gran variabilidad de velocidades de viento se encuentra en las diferentes regiones del mundo, desde un promedio anual de velocidad de 2 m/s hasta 4 a 7 m/s en lugares con mucho viento. Esta variación en viento implica una mayor variabilidad en la potencia disponible, desde 40 a 200 W/m 2. * Inmensas diferencias en velocidad de viento (y por ende en potencia) se observan en pequeñas distancias debido a la cambiante topografía del terreno y su rugosidad. En pequeñas distancias la potencia eólica puede variar en un orden de magnitud. * Es difícil medir el potencial eólico con precisión. El viento, generalmente, se mide como su velocidad y dirección. La potencia eólica es proporcional al cubo de la velocidad del viento, significando esto que un pequeño error en su medición causa un mayor error en la potencia calculada. Por ejemplo, la potencia eólica en un viento de 5 m/s es el doble que en un viento de 4 m/s (5 3 /4 3 = 125/64 ~ 2). Un error del 10% en la velocidad del viento implica un error del 33% en la potencia eólica calculada. Por estas razones no es posible presentar, en general, una metodología simple y directa para la evaluación del recurso eólico. Sin embargo se dará aquí una introducción a los aspectos principales y la terminología típicamente utilizada. 2.2 PATRONES GLOBALES DE CIRCULACION DEL VIENTO El viento es aire en movimiento y es una forma indirecta de la energía solar. Este movimiento de las masas de aire se origina por diferencias de temperatura causada por la radiación solar sobre la superficie terrestre, que junto a la rotación de la tierra, crean entonces los, llamados, patrones globales de circulación. El flujo de energía solar total absorbido por la tierra es del orden de vatios, lo cual es aproximadamente 10,000 veces la tasa total mundial del consumo energético. Una pequeña porción del flujo total solar (aproximadamente 1% o vatios) se convierte en movimiento atmosférico o viento. En una escala global las regiones alrededor del ecuador reciben una ganancia neta de energía mientras que en las regiones polares hay una perdida neta de energía por radiación. Esto implica un mecanismo por el cual la energía recibida en las regiones ecuatoriales sea transportada a los polos. Las masas de aire caliente en la región ecuatorial ascienden (causando la formación de nubes y de relámpagos) en una banda delgada de alrededor 100 Km. de ancho, llamada la Zona de Convergencia Intertropical (ZCIT). Esta zona se ubica más o menos paralela al ecuador alrededor de la tierra (Ver Figura 2.1). En la parte superior de la atmósfera estas masas de aire se dividen en dos, una alejándose del ecuador hacia el norte y otra alejándose hacia el sur. Al Página 5

10 alejarse del ecuador, el aire se enfría y se vuelve más pesado. A aproximadamente 30 de latitud Norte y Sur, este aire empieza a Figura 2.1 Representación del patrón global de circulación de vientos Fuente: Atlas eólico del país Vasco descender, causando un clima seco y sin nubes. En estas latitudes es donde se encuentran los grandes desiertos alrededor del mundo. A nivel de superficie terrestre, los vientos se devuelven hacia el ecuador como vientos alisios. Debido a la rotación de la tierra su dirección se desvía hacia el oeste en los dos hemisferios norte y sur. Por esto la dirección de los vientos alisios es NE y SE (la dirección se determina por la dirección de donde viene el viento y no hacia donde se dirige). La Zona de Convergencia Intertropical se desplaza hacia al norte del ecuador durante el verano del hemisferio norte y hacia el sur en el invierno. Es muy estable y por esto los vientos alisios son permanentes. Dentro de esta zona, se encuentran vientos de baja intensidad, interrumpidos por un alto nivel de tormentas eléctricas. Al tiempo, se pueden experimentar largos períodos de calma de viento. En el exterior de la circulación entre los trópicos, vientos del oeste son predominantes. Esta circulación es más bien inestable y se caracteriza por una estructura ondulada y formación de depresiones atmosféricas moviéndose del oeste hacia el este. Desviaciones del patrón general de circulación de aire en movimiento ocurren debido a la distribución no homogénea de masas de tierra sobre el globo. En promedio, mayor concentración de masas de tierra se encuentra en el hemisferio norte que en el hemisferio sur. Dado que la masa de tierra se calienta más fácilmente por el sol, que los océanos, la posición promedio de la ZCIT es 5 Norte del ecuador. Página 6

11 2.2.1 ESCALAS DE VIENTOS: VARIACION HORIZONTAL Vientos de Escala Macro (100-10,000 Km.) El flujo de viento originado por la circulación global se conoce como vientos de escala macro. La escala horizontal de movimiento de estos vientos va desde algunos cientos a miles de kilómetros. El viento de escala macro (no perturbado por características de la superficie terrestre excepto por cadenas de montañas) se encuentra en altitudes superiores a los 1,000 metros. Vientos de Escala Media (5 a 200 Km.) Las variaciones de la superficie terrestre con escala horizontal de 10 a 100 Kilómetros tienen una influencia en el flujo de viento entre los 100 y 1,000 metros de altura sobre el terreno. Obviamente, la topografía es importante y los vientos tienden a fluir por encima y alrededor de montañas y colinas. Cualquier otro obstáculo (ó rugosidad) sobre la superficie terrestre de gran tamaño desacelera el flujo de aire. A manera de ejemplo se ilustran dos tipos de vientos de escala media o de naturaleza local como son la brisa marina y los vientos de montaña. a) Día (Verano) b) Noche (Invierno) Figura 2.2 Brisa marina Fuente: Meterological aspects of the utilization of wind as an energy source. Nota técnica No Página 7

12 Cerca a las playas se pueden observar los patrones de brisa marina (Ver figura 2.2). Durante el día la tierra se calienta más que el agua (mar o lago), el aire sobre la tierra asciende y la brisa marina se desarrolla. Durante la noche, la tierra se enfría a temperaturas menores que la del agua, causando una brisa terrestre. Esta es usualmente más débil que la brisa marina. Otro ejemplo involucra los vientos de valle-montaña. Durante el día, las faldas de las montañas se calientan, el aire asciende y el viento tiende a fluir a través del valle hacia la montaña (Ver figura 2.3). Durante la noche, el fenómeno contrario ocurre: aire frió se mueve hacia abajo de la falda de la montaña, forzando el viento a soplar hacia el valle. a) Día Figura 2.3 Vientos de valle-montaña b) Noche Página 8

13 En las regiones tropicales vientos térmicos son muy comunes. Estos vientos, los cuales son causados por gradientes de temperatura a lo largo de la superficie terrestre, pueden ser fuertes durante el día, especialmente en regiones desérticas. Vientos de Escala Micro (hasta 10 Km.) En una escala micro, los vientos de superficie (entre 60 y 100 metros sobre el terreno), los cuales son los más interesantes para la aplicación directa de la conversión de la energía eólica, son influenciados por las condiciones locales de la superficie, como la rugosidad del terreno (vegetación, edificios) y obstáculos VARIACION DEL VIENTO CON LA ALTURA SOBRE EL TERRENO El perfil del viento (v.g.- la velocidad de viento como una función de la altura sobre el terreno) puede ser expresado en una relación matemática sencilla. La forma de este perfil dependerá principalmente de la rugosidad del terreno. Figura 2.4 ilustra el comportamiento de perfil de velocidades del viento en función de las características topográficas del terreno. Figura 2.4 Perfiles de velocidad de viento, en función de las características topográficas del terreno Fuente: Atlas del país Vasco Para terreno plano y abierto (esto es, libre de obstáculos de gran tamaño y con vegetación de pequeño tamaño relativo) se han desarrollado algunos conceptos generales muy útiles (Ver apéndice A). A mayor rugosidad (relativo a la altura promedio de los obstáculos), mayor será la desaceleración del viento cerca de la superficie. Algunos métodos de clasificación general se Página 9

14 han desarrollado para cuantificar esta rugosidad de la superficie (Ver apéndice A). La rugosidad al ser cuantificada en un lugar especifico, puede variar en diferentes direcciones; y por lo tanto el perfil de velocidades de viento dependerá de la dirección del viento. Otro concepto importante es la velocidad de viento potencial, que se define como la velocidad de viento que se observaría en un terreno completamente plano y abierto, típicamente especificado para 10 metros de altura sobre el terreno. La velocidad de viento potencial es básicamente una magnitud de escala media. Debido a su definición, esta no depende de características de rugosidad locales. A través del perfil para terreno abierto y plano, esta velocidad se relaciona con la velocidad de viento a 60 y 100 metros sobre la superficie del terreno. Esta es la cantidad que típicamente se indica en los mapas eólicos. Siendo esta una cantidad de escala media, es bastante constante a distancias razonable (algunos cuantos kilómetros de distancia horizontal). Para hallar la velocidad de viento actual (no potencial) en un lugar especifico, se deben aplicar correlaciones a la velocidad de viento potencial, la cual dependerá sobre las características de rugosidad del lugar. Para mayor detalle ver apéndice A. Para el terreno Complejo (montañas, colinas, valles, pasos entre montañas) la situación es bastante diferente (Ver figura 2.5). El flujo de viento sobre y alrededor de montañas es complejo y hasta ahora, conceptos analíticos sencillos (como el perfil de velocidades y velocidad de viento potencial para terreno plano) no existen para modelar tales flujos. Figura 2.5 Aceleración del viento en pasos de montaña Fuente: A siting Handbook for small wind energy conversion systems PNL Página 10

15 2.3 CALCULO DE LA POTENCIA DEL VIENTO La potencia en el viento soplando con una velocidad V a través de una área A perpendicular a V, es: 1 3 P viento = ñav (w: vatios) 2 Donde: Pviento es la potencia en el viento en vatios ρ :es la densidad del aire(aprox. 1.2 Kg/m 3 ) V es la velocidad del viento en m/s A es el área perpendicular al viento en m 2 Si la velocidad del viento se duplica, la potencia es ocho veces más grande. De 2 a 3 m/s de velocidad de viento, la potencia del viento es más de tres veces. De 4 a 5 m/s de velocidad de viento, la potencia es el doble (Ver figura 2.6 y tabla 2.1) Potencia eólica especifica (W/m2) Velocidad del viento (m/s) Figura 2.6 Potencia eólica especifica en función de la velocidad para condiciones normales de presión y temperatura En un día con borrasca la velocidad del viento puede variar de 1 a 10 m/s, implicando que la potencia en el viento cambia por un factor de 10 3 = Un cambio de esta magnitud no Página 11

16 ocurre diariamente, pero si refleja las grandes variaciones que la potencia del viento puede alcanzar en diferentes lugares y escalas de tiempo. Adicional a la velocidad del viento, la potencia eólica se ve además afectada por variaciones en la densidad del aire, sobretodo si se pretenden realizar instalaciones en zonas montañosas de gran elevación sobre el nivel del mar. Normalmente, la potencia eólica teórica se da como potencia eólica especifica, esto es por unidad de área. Así que: P viento = ρ (w/m 2 ) V En la que Pviento esta expresada en vatios por metro cuadrado. La tabla 2.1 muestra la variación de la potencia eólica especifica para diferentes valores de velocidad de viento, con la densidad del aire a condiciones estándar a la altura del nivel del mar (1.2 Kg/m 3 ). La tabla 2.2 muestra la variación de la densidad del aire para diferentes alturas sobre el nivel del mar y temperatura. Para el cálculo de la potencia eólica a diferentes alturas sobre el nivel del mar, esta deberá ser corregida utilizando el verdadero valor de la densidad según esta tabla. TABLA 2.1 VARIACION DE LA POTENCIA EOLICA ESPECIFICA Velocidad del viento en m/s Potencia Eólica Especifica en w/m TABLA 2.2 DENSIDAD DEL AIRE A DIFERENTES ALTURAS SOBRE EL NIVEL DEL MAR Altura sobre el nivel del mar Densidad de Aire Seco (m) en Kg/m 3 a: 20 o C 0 o C , , , , , , , Página 12

17 2.4 INFORMACION NECESARIA PARA EVALUAR EL USO DE LA ENERGIA EOLICA Esta sección revisa los requerimientos de datos meteorológicos para una adecuada evaluación del recurso eólico; y por ende dimensionamiento y evaluación de sistemas de conversión de energía eólica para generación eléctrica, bombeo de agua y otros usos potenciales. Adicionalmente, se mencionan los diversos métodos de adquirir y colectar datos meteorológicos de manera generalizada a escala regional o nacional Datos Meteorológicos Requeridos La información necesaria para evaluar la aplicación de sistemas de conversión de la energía eólica, es: O O Velocidad de Viento Promedio Anual: La velocidad de viento promedio por un período largo puede ser utilizada como una primera indicación de la viabilidad de uso de la energía eólica. Variaciones Estacionales: Datos sobre variaciones estacionales de la velocidad de viento (normalmente presentada como promedios mensuales de velocidad de viento) son de importancia para estimar la variación estacional de entrega de energía, y así determinar el mes de diseño critico (v.g.: mes de menor energía eólica disponible) para la instalación que se desea. La figura 2.7 ilustra las variaciones estacionales que se presentan en el Aeropuerto Camilo Daza en Cúcuta en el período de 1972 a Máxima velocidad de viento registrada Figura 2.7 Variaciones estacionales en el aeropuerto Camilo Daza Cúcuta entre 1972 y 1977 Fuente: A. Pinilla Página 13

18 O Variaciones Diurnas: Variaciones a lo largo del día pueden tener influencia en la viabilidad de uso de la energía eólica (Figura 2.8 ilustra las variaciones diarias en el Aeropuerto Camilo Daza en los meses de Julio y Marzo). En lugares que poseen una velocidad de viento baja durante las 24 horas del día, la viabilidad de uso será dudosa. Se puede estudiar los dos ejemplos que siguen; en una región o lugar donde la intensidad del viento es baja durante 16 horas al día, pero presenta vientos de 6 m/s las restantes 8 horas del día, una aplicación eólica puede ser económicamente viable. En otro caso puede ser que a lo largo de las 24 horas del día se registran vientos que no exceden los 2 m/s, en los dos casos presentados, la velocidad promedio diaria no excede los 2 m/s. 10 Marzo Julio Velocidad de viento (m/s) Hora del día Figura 2.8 Variaciones diarias en el aeropuerto Camilo Daza en los meses de Julio Marzo Fuente: A. Pinilla O O O Borrascas, vientos extremos: Datos sobre borrascas y vientos de muy alta intensidad son necesarios para determinar las máximas velocidades de viento en las cuales cualquier equipo de conversión de energía eólica puede ser capaz de aguantar sin presentar daño. Por ejemplo para regiones tropicales y de clima moderado una velocidad de 40 m/s se utiliza generalmente como un valor seguro para operación, en algunos casos 50 m/s se considera seguro. Períodos de Calma: Se requiere información sobre períodos largos de baja intensidad del viento para determinar las dimensiones de elementos como baterías o tanques de almacenamiento de agua para suplir suministro de energía cuando el equipo eólico no se encuentre en operación. Distribución de Frecuencia de Velocidades de Viento: Para realizar un estimativo adecuado de la probable producción de energía de cualquier equipo eólico, la Página 14

19 distribución de frecuencia de la velocidad de viento (porcentaje del tiempo en que una velocidad de viento dada ocurre en el año) es de gran utilidad. Una fuente natural de información son los registros de viento realizados por el servicio nacional de meteorología (IDEAM, antiguo HIMAT) pero esta información debe ser estudiada con extremo cuidado. Muchas veces, el servicio meteorológico recauda información eólica en aeropuertos y los datos son colectados a 10 metros de altura sobre la superficie; o en otros casos, la medición de viento es realizada con fines agrometeorológicos y no energéticos, en medio de poblaciones con sistemas anticuados (descalibrados) y mal localizados con respecto al viento. Así pues, al estudiar los registros meteorológicos, es típico encontrar en el mejor de los casos, en la mayoría de las estaciones, promedios anuales de velocidad de viento entre 2 y 3 m/s los cuales quizás no corresponden a la condición real de viento en la región, ya que como se mencionó anteriormente, la ubicación de la estación meteorológica y/o el tipo de registradores no son los más adecuados para medir el recurso eólico. En consecuencia, no se puede planificar ningún tipo de proyecto eólico con base a esta información histórica, a menos que se verifique su precisión, la cual generalmente, es una dificultad adicional. No es recomendable utilizar información de datos de viento suministrada por estaciones agrometeorológicas. Mucha de la información es de poca utilidad para evaluar el recurso eólico; ya que son mediciones realizadas a 2 metros de altura sobre la superficie, en lugares generalmente no expuestos adecuadamente al viento. La evaluación del potencial energético eólico de una zona, es una labor que requiere tiempo además de recursos económicos para realizarse adecuadamente. Es necesario colectar datos meteorológicos por lo menos durante un año, si se desea realizar una prospección con cierto grado de certidumbre. A diferencia de la evaluación del recurso solar, donde se pueden cubrir mayores áreas con la evaluación de los parámetros meteorológicos; el recurso eólico, por su propia naturaleza, tiene un comportamiento especifico en el lugar y presenta variaciones espaciales substanciales. Esto quiere decir que al realizar mediciones puntuales en un sitio, las magnitudes de la velocidad de viento y su dirección, en una distancia de 100 metros, pueden ser diferentes, sin embargo puede existir una variación numérica proporcional entre sus magnitudes y su comportamiento, en general. La adecuada determinación de la variación del recurso eólico en un año permite dimensionar el tamaño del equipo eólico para un requerimiento dado de energía. Al mismo tiempo, al conocerse los períodos largos de calma, se identificará la necesidad de almacenamiento de energía durante varios días, o en su defecto la necesidad de instalar un sistema alterno de generación como un sistema fotovoltaico o un equipo diesel asociado para el suministro confiable de energía. Así pues, la estrategia que se utilice para evaluar el recurso estará acorde con las necesidades energéticas del lugar, ya que al requerirse entrega de energía para una población pequeña, el nivel de sofisticación de la evaluación será mayor, al compararse con la necesidad de entregar energía a pequeños consumidores individuales. Esto traduce que, para instalar pequeños sistemas eólicos individuales, un estimativo cercano a la velocidad promedio anual de viento en el lugar será suficiente y menos costoso que un programa detallado de evaluación. Por el contrario, si se está planeando instalar una granja eólica para conexión a la red eléctrica, la inversión en el equipo de medición y los costos asociados son fuertemente justificados. La experiencia en esta ultima circunstancia, en los Estados Unidos, es que la evaluación sistemática para instalación de granjas eólicas (suministro mayor del megavatio) cuesta alrededor del cinco por ciento (5%) del costo total del sistema eólico. Página 15

20 2.5 METODOS UTILIZADOS PARA MEDIR LA VELOCIDAD DEL VIENTO Estimaciones del recurso eólico se basan en algunas estrategias útiles como son: Colección de información de manera empírica, anemómetros totalizadores, por factores de correlación, instalación de pequeños equipos eólicos o por adquisición de datos meteorológicos en tiempo real Información Empírica Esta información se recoge con base a visitas realizadas al lugar, donde las condiciones de topografía, de vegetación y la información de los habitantes de la región aportan valiosa información en la identificación de lugares con altos niveles de velocidad de viento. Por ejemplo, la constante incidencia del viento en los árboles a lo largo del tiempo, o sobre la vegetación, hacen que estos crezcan inclinados en la dirección predominante del viento (Figura 2.9 ilustra la deformación causada en árboles de pino por la incidencia permanente del viento y su relación con la velocidad promedio anual esperada). Figura 2.9 Deformación causada en Árbol de Pino por la incidencia permanente del viento y su relación con la velocidad promedio anual esperada. Foto 2.1 Árbol deformado Página 16

21 Información empírica puntual puede ser deducida, además, a partir de tablas como la escala de Beaufort que se presenta en la Tabla 2.3, en esta tabla solo se indica las características de incidencia del viento en tierra, sin embargo existe una correspondencia con fenómenos sobre el mar, la cual no se incluye. TABLA ESCALA DE BEAUFORT PARA LA INTENSIDAD DE VIENTO Numero Beaufort Velocidad de Viento Efectos observados en tierra (m/s) Calma, humo asciende verticalmente El humo indica la dirección del viento, aspas de molinos no se mueven Se siente el viento en la cara; se mueven las hojas de los arboles; aspas de molinos se empiezan a mover Hojas y ramas pequeñas se mueven constantemente; banderas livianas se extienden Polvo, hojas y papel en el piso se levanta; ramas se mueven Pequeños árboles comienzan a bambolear Ramas grandes de los arboles en movimiento, silbido emana de cuerdas Todo el árbol se mueve; resistencia fuerte al caminar contra el viento Ramitas y ramas de los árboles se rompen; caminar es difícil La escala de Beaufort va hasta el número 17 donde se indican velocidades de viento hasta de 60 m/s. Análogamente, la presencia de algunos molinos de viento instalados años atrás, dan un verdadero indicio de que el lugar presenta un régimen adecuado de viento, para profundizar en su evaluación. Es claro que la información empírica, así recogida, no permite conocer un valor aproximado de velocidad promedio anual del viento, pero si permite identificar sitios para futura evaluación del recurso Anemómetros Totalizadores Una manera efectiva de determinar los valores promedios globales del comportamiento del viento es por medio de la instalación de anemómetros totalizadores. Estos elementos son anemómetros de cazoletas con medidor de revoluciones que al ser accionados por el viento miden el recorrido equivalente que ha pasado a través del instrumento (Ver figura 2.1). Al estar conectado al odómetro se podrá entonces establecer para un período dado de tiempo, el número de metros o kilómetros de recorrido. Esta relación entre el recorrido y el tiempo de medida, permite entonces conocer la velocidad promedio del viento. Así por ejemplo, si el período de medida del recorrido del viento es de una hora y se registran que han pasado 16.2 Km. de viento; la velocidad horaria será de 16.2 Km. por hora (4.5 m/s promedio horario). La dificultad de este sistema radica en que el anemómetro deberá estar localizado en un lugar donde las condiciones sean limpias, con muy pocos obstáculos alrededor; y están a 10 metros de altura sobre la superficie del terreno. Así pues al realizarse la lectura, el visualizador del odómetro deberá estar localizado muy cerca del suelo, ya que las torres para la instalación de anemómetros, por lo general, no son lo suficientemente robustas para sostener el peso de una persona que ascienda para realizar las lecturas. Página 17

22 Foto 2.2 Anemómetro de recorrido Foto 2.3 Estación especializada Con la recopilación de esta información totalizada y con promedios de velocidad de viento, se caracteriza formalmente el régimen de vientos presente en un lugar, identificándose con gran certeza las variaciones tanto diurnas como mensuales o estacionales. Idealmente, mediciones de la distancia de viento recorrido a través del anemómetro en períodos de una hora serian de mucha utilidad, no obstante períodos más largos pueden ser utilizados, con la correspondiente pérdida de información para evaluar el recurso eólico Método de Correlación Este método de estimación, permite combinar mediciones realizadas en un lugar específico, con registradores de velocidad de viento de cualquier tipo; con los datos publicados y suministrados por el servicio de meteorología en estaciones aledañas al lugar. Se puede realizar mediciones de viento por un período corto de tiempo en un lugar (por ejemplo: algunos cuantos meses) y al comparar con datos obtenidos, simultáneamente, en una estación meteorológica cercana al lugar se pueden producir coeficientes numéricos de proporcionalidad a través de comparar los valores promedios medidos (diurnos y/o mensuales) con los datos publicados por el servicio de meteorología. Si se da una buena correlación (Consistentes y similares valores numéricos), por ejemplo, con promedios mensuales de viento, y se cuenta con varios años de información meteorológica, se aproximará mucho más a una estimación real del potencial eólico en el lugar. También se podrá realizar una ponderación de los coeficientes numéricos, cuando la correlación no es tan directa, al comparar mes a mes, así que los valores obtenidos permitan tener mayor certidumbre en la toma de decisión de una instalación eólica. En este método de correlación, deberá tener en cuenta las variaciones de la dirección del viento, ya que pueden existir factores de correlación para diferentes direcciones del viento. Página 18

23 2.5.4 Instalación de Pequeños Equipos Eólicos Otra manera utilizada para evaluar el recurso eólico en un lugar, se realiza mediante la instalación de un pequeño equipo eólico y la medición de su funcionamiento sobre una base regular de tiempo. Este método, permite relacionar la característica del equipo con el régimen de vientos. Sin embargo, este método confía producir resultados adecuados, cuando el equipo eólico es accionado por el viento dentro de los rangos de operación prescritos por el fabricante. En cierta medida, este método permite adquirir confianza sobre la generación eléctrica, ya que se obtiene un resultado dual (medición de vientos y generación de energía) para la evaluación del recurso en un lugar seleccionado. Claro está, que la selección del lugar donde debe estar instalado el equipo eólico se basa en el conocimiento empírico del régimen de vientos de los habitantes del lugar, ó de la característica de la vegetación alrededor del lugar Adquisición de Datos en Tiempo Real Este método de evaluación es el más confiable y al mismo tiempo costoso para análisis del recurso. La oferta de equipos de adquisición de datos es cada vez mayor, y fundamentalmente consiste de un pequeño computador que almacena la información permanentemente, dependiendo de la necesidad del usuario, de manera que se pueden registrar promedios meteorológicos desde el rango de segundos hasta horas en las variables correspondientes. Entre más precisa, (promedio en tiempo menor y registros de memoria extendida) hacen que el equipo sea más costoso. La mayoría de los equipos de adquisición de datos comerciales vienen provistos con almacenamiento de memoria removible e intercambiable, con capacidad de acumular información hasta por seis meses continuos de registro. Algunos equipos, por otro lado, permiten extraer la información a través de telefonía celular desde cierta distancia hasta el lugar donde se está realizando la evaluación del recurso. Como tal, los resultados de una evaluación con esta metodología garantizan un preciso y adecuado dimensionamiento de equipos eólicos para suministro de energía. En una primera instancia y al recurrir a cualquier método de medición del recurso eólico, se recomienda utilizar registradores que permitan conocer la velocidad promedio del viento en períodos de una hora, a lo largo de por lo menos un año de medición. Esta información permitirá conocer variaciones diurnas, velocidades máximas, variaciones estacionales y la velocidad promedio anual del viento, sobre la base de datos horarios. Otra forma de conocer el potencial del recurso eólico, es por medio de mapas de recurso globales o regionales, en la parte final del presente manual se adjunta el mapa preliminar de velocidad de viento anual en algunas regiones del país. Página 19

24 CAPITULO 3 - ESTIMACION DE LA ENERGIA EOLICA Cuando se tiene información confiable sobre el régimen de viento en un lugar, ésta deberá ser analizada adecuadamente, para ser combinada con las características de generación de un equipo; pudiéndose estimar, entonces, la cantidad de energía que puede suministrar el equipo eólico en el lugar seleccionado. La Tabla No 3.1 (Power Guide, 1994) indica las posibilidades de uso de la energía eólica, con base a valores promedios de velocidad de viento anual. TABLA RELACIONES GENERALES ENTRE VIABILIDAD Y VELOCIDAD DE VIENTO PARA SU USO COMO FUENTE DE ENERGÍA Promedio Anual de Velocidad de Posibilidad de Uso de la Energía Eólica Viento 10 metros de altura Menor a 3 m/s Usualmente no es viable, a menos que existan circunstancias especiales para evaluar mejor el recurso (Ver Sección 2.4.1) 3-4 m/s Puede ser una buena opción para equipos eólicos de bombeo de agua (Aerobombeo), poco viable para generación eléctrica con equipos eólicos (Aerogeneración) 4-5 m/s Aerobombas son competitivas económicamente a los equipos Diesel, aerogeneración con equipos Más de 5 m/s autónomos es viable. Viable para aerobombeo y aerogeneración con sistemas autónomos Más de 6 m/s Viable para aerobombeo, aerogeneración con sistemas autónomos y para sistemas conectados a la red eléctrica. Debe ser claro, que esta tabla es una indicación de rápida referencia y no pretende ser completamente concluyente. Vale la pena aclarar que en la tabla se hace referencia al valor promedio anual de velocidad de viento a 10 metros de altura sobre la superficie y cuando se esta pensando en instalaciones eólicas remotas, autónomas o conectadas a la red eléctrica se tendrá que corregir la velocidad de viento promedio a la altura de la torre del equipo en consideración. Para realizar una apropiada evaluación del recurso en un lugar especifico, se deberá tener información registrada a 10 metros (de altura sobre la superficie) de velocidad de viento promedio horaria, durante por lo menos un año. Esto significa tener unos 8760 datos para ser analizados. En caso tal, que exista información de más años el volumen de información será mayor para ser procesada, sin embargo la confiabilidad de la evaluación aumentara. METODOLOGIA DE EVALUACION DE ENTREGA DE ENERGIA Con el propósito de mostrar un método sencillo de evaluación del potencial eólico, se presenta en esta sección, el análisis de información tomada en la Isla de Providencia durante un período continuo de 181 días (4340 horas), entre los años 86 y 87. Esta información fue registrada por el Programa Especial de Energía de la Costa Atlántica (PESENCA). Como un primer paso, se debe clasificar los datos de velocidad promedio horaria por secciones. Esto es, dividir todo el rango de variación de la velocidad de viento en secciones de 1 m/s. Esta clasificación se conoce como la distribución de frecuencias de viento, que para el caso de la Isla de Providencia se ilustra en la Figura 3.1 y la tabla 3.2. Página 20

25 TABLA DISTRIBUCION DE FRECUENCIAS PARA LA ISLA DE PROVIDENCIA 181 DÍAS DE INFORMACIÓN Intervalo Horas-181 días Porcentaje (%) (m/s) (4340 hrs) en tiempo Velocidad del viento (m/s) Figura 3.1 Distribución de velocidad de viento en la isla de Providencia en un período continuo de 181 días Fuente: A. Pinilla Página 21

26 Para el período de medida (4340 horas) la velocidad promedio de viento es de 8.5 m/s a 10 metros de altura. El siguiente paso consiste en elegir un equipo eólico comercial para su evaluación, que para este caso se escoge el equipo BERGEY Windpower Co BWC Excel, cuyas características se ilustran la Figura 3.2 y tabla Curva de potencia BWC EXCEL Potencia (kw) Velocidad de viento (m/s) Figura 3.2 Curva característica de potencia de un Aerogenerador Bergey BWC 10Kw Fuente: BWC TABLA CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE AEROGENERADOR BERGEY BWC EXCEL Potencia Nominal: 10 Kw Velocidad Viento Nominal: 12.1 m/s Velocidad de Arranque: 3.0 m/s Velocidad de abatimiento: 16.0 m/s Numero de Aspas: 3 Diámetro del Rotor: 7 metros Altura de la torre: 10 metros Definiciones: Velocidad Arranque:(vin) Velocidad de viento donde el generador comienza a entregar energía. Velocidad Nominal: (vr) Velocidad del viento donde el equipo alcanza su potencia eléctrica nominal (o de placa). Velocidad Abatimiento:(vout) Velocidad de viento donde el equipo se obliga a parar de entregar energía por razones de seguridad y protección del mismo. Página 22