ESTUDIO DE LOS CAMBIOS DEL VIENTO CON LA ALTURA EN UNA ATMOSFERA TROPICAL ROSENDO ALVAREZ, DULCE O. PEREZ, LILIAN R. AYALA Y LAURA AENLLE. RESUMEN. En este trabajo se realiza un estudio de los cambios del viento con la altura específicamente en la capa de 10-100 m. En el mismo se define un índice especial para el estudio de los cambios del viento con la altura; basado también en un análisis estadístico de la relación de incrementos V 100 /V 10. Dicho estudio ha permitido obtener resultados que sirven para evaluar económicamente la posibilidad de utilizar las torres altas en los cálculos de la utilización de la energía eólica, ésta, una fuente renovable de gran importancia pues su uso puede suplir parte del consumo creciente de combustible y la dispersión de gases contaminantes en lugares de interés turístico e industrial. 1. INTRODUCCION En los últimos años se ha dificultado el estudio de las posibilidades de utilizar el viento como fuente renovable de energía. Así, la Organización Latinoamericana de Energía(OLADE) publicó el Atlas Eólico Preliminar de América Latina y el Caribe(1983)donde expone la distribución del viento, utilizando datos de estaciones de superficie, para toda la región con criterios de elaboración mas o menos acertados. También la Organización Meteorológica Mundial (OMM), preocupada por el desarrollo energético publicó la Nota Técnica No.175 (1984)donde resume artículos, criterios y tendencias sobre la utilización del viento como fuente de energía. En Cuba se realiza un gran esfuerzo en la dirección de utilizar esta energía para suplir parte del consumo creciente de combustible. Dentro del plan de desarrollo de la energía eólica se labora el mapa de Potencial Eólico-Energético de Cuba utilizando datos de superficie, habiéndose terminado la metodología de trabajo que fue presentada en el Primer Forum Nacional de Energía con el título de"la utilización del viento como energía complementaria" (ALVAREZ, R. et. al, 1984). Otros estudios han estado encaminados a la caracterización y evaluación del potencial eólico en determinadas regiones del país como el estudio del viento en Camagüey para su aplicación a la agricultura y la ganadería ( ALVAREZ, R. et. al, 1992) y por último la culminación del Atlas Eólico de Cuba, (SOLTURA, R. et. al, 1997). Desde luego, la utilización de datos tomados a 10 m de altura sobre la superficie limita el alcance de las posibilidades de ubicar aerogeneradores dado que, en la atmósfera tropical, no se conoce a ciencia cierta la razón de incremento del viento con la altura, basándose casi todo los estudios realizados en el perfil de velocidades logarítmico de los países de latitudes medias (Haltiner y Martín, 1980). Lo anteriormente expuesto indujo a los autores a realizar, con la información disponible, un estudio de los cambios en la rapidez del viento con vistas a su utilización en los problemas energéticos. 2. MATERIALES Y METODOS Para la elaboración del presente trabajo se utilizaron los datos de dos estaciones aerológicas, Cienfuegos y Camagüey, ubicada la primera en el Sur de la Isla cerca de la
costa, y la segunda al centro de ella. La información procesada puede verse en la Tabla 1. TABLA 1. Información obtenida en las estaciones aerológicas de Cienfuegos (Juraguá) y Camagüey. ESTACIÓN PERÍODO HORA LOCAL CANTIDAD DE OBSERVACIONES Cienfuegos 1978-1979 07:00 143 1978-1979 19:00 185 Camagüey 1981-1982 07:00 283 1982 19:00 61 El análisis de los sondeos se realizó separando la información de viento cada 100 m en la altura entre 10 y 1000 m considerando la primera capa de 90 m solamente. Los datos de rapidez del viento así obtenidos fueron procesados en frecuencia, separando las mismas en clases, en unos casos de nudo en nudo hasta 15 y en otros casos de m/s en m/s hasta 15 y mayores. 3. RESULTADOS Con los resultados del procesamiento de datos se elaboraron las cartas características (Alvarez, 1983), Rapidez contra altura para cada uno de los 16 rumbos, Rapidez contra rumbo para cada una de las 9 alturas (el rango a partir de 600 m se amplió a 200 m, es decir 600 m, 800 m, 1000 m) y Rapidez contra altura para cada hora (07:00 y 19:00 hora local). 3.1. Gráfico de rapidez contra altura para rumbo fijo. En las figuras 1 y 2 pueden observarse las cartas características de rapidez contra altura para los rumbos Noreste (NE) y Estenoreste (ENE) en Cienfuegos. En ellas se aprecian valores máximos de la frecuencia de vientos en la dirección NE para valores de la rapidez entre 13-15 m/s entre 350 y 400 m de altura. Si tomamos la dirección ENE vemos que se presentan dos máximos de frecuencia: uno entre 6.5-8 m/s de rapidez del viento y 900-1000 m de altura y otro entre los 13.5-15 m/s de rapidez y entre 400-600 m de altura. Fig.1. Carta característica de la rapidez contra altura para el rumbo noreste (NE). Fig. 2. Carta característica de la rapidez contra altura para el rumbo estenordeste (ENE). El hecho de presentarse el mayor valor de frecuencias para los mayores valores de
rapidez del viento estudiados y a una altura que oscila entre los 400 y los 600 m hace coincidir los valores encontrados en las cartas características con el chorro de bajos niveles mencionado en la bibliografía y estudiado en Cuba por Carnesoltas, et.,(1985) 3.2. Gráfico de rapidez contra rumbo para altura fija. En las figuras 4, 5 y 6 pueden observarse las cartas características de rapidez contra rumbo para altura de 10 m (superficie), 500 y 1000 m de la que en los niveles superiores del viento presenta sus máximos de frecuencia con vientos del primer y segundo cuadrantes con preferencia en el primero, con independencia de sus valores en superficie. Fig. 4. Carta característica de rapidez contra rumbo para 10 m de altura (superficie) a las 07:00 y 19:00 hora contra rumbo para 500 m de altura a las 07:00 y 19:00 hora local. local. Fig. 5. Carta característica de rapidez
Fig. 6. Carta característica de rapidez contra rumbo para 1000 m de altura a las 07:00 y 19:00 hora local. 3.3. Gráfico de rapidez contra altura para cada hora (07:00 y 19:00). Como la energía del viento puede utilizarse tanto para fines de trabajos mecánicos como eléctricos es interesante conocer como variará el viento con la altura a diferentes horas del día. Las figuras 7 y 8 presentan las cartas de rapidez contra altura en valores de frecuencia. La figura 7 describe el comportamiento a las 07:00 horas (local) y en ella podemos ver que los máximos valores se presentan para valores de la rapidez entre 1-2 m/s entre los 10 y 100 m, destacándose también un máximo relativo con valores de la rapidez mayores que 15 m/s entre los 300 y 500 m de altura. Es de destacar que a la altura del trabajo con torres (10-150 m) no hay valores de frecuencia que justifiquen la inversión correspondiente a la construcción de una torre especial, según nuestro criterio. En la figura 8, se describe el comportamiento de los valores de la rapidez del viento a las 19:00 horas (local). Son de interés un máximo absoluto de frecuencias para los valores entre 1 y 4 m/s a la altura de 0-100 m y un máximo relativo entre 6-7 m/s a la altura de 100 m. 3.4. Definición de la relación de incrementos V 100 /V 10. Dado que los datos disponibles sólo podían ordenarse de 100 en 100 m, y queriendo conocer como se producía el cambio con la altura, específicamente en la capa de 10-100 m, la mas útil desde el punto de vista energético, se definió la Relación de Incrementos V 100 /V 10 =R I como la razón de la rapidez del viento a 100 m de altura entre la rapidez a 10 m de altura. Fig. 7. Rapidez contra altura en valores de frecuencia a las 07:00 hora local. Fig. 8. Rapidez contra altura en valores de frecuencia a las 19:00 hora local. En la figura 9 puede verse el ploteo de los datos de V 100 contra V 10. En ella se ha dibujado la recta V 100 -V 10. Cualquier punto por debajo de ella significa que R I < 1 y por encima R I > 1. Las nubes de punto en los cuatro gráficos significa que en todos los casos (Cienfuegos 07:00 y 19:00 horas y Camagüey 07:00 y 19:00 horas) R I > 1 en mayoría abrumadora, quedando en Camagüey a las 19:00 dos puntos por debajo de la recta y tres a las 07:00, y en Cienfuegos a las 19:00 seis puntos y ocho a las 07:00. A partir de lo expuesto podemos afirmar que en ambas estaciones y para las dos horas de sondeo, la rapidez del viento aumenta con la altura.
Con el fin de hallar la forma más probable de cambio de R I se calculó la ecuación de regresión lineal simple, obteniéndose los resultados que pueden verse en la Tabla 4. TABLA. 4 Ecuaciones de Regresión para razón V 100 / V 10. ESTACION HORA ECUACION REGRESION COEF. CORR. V 10 V 100 ERROR MEDIO Camagüey 07:00 V 100 = 0,61 V 10 + 4,660 0,51 3,25 11,31 0,0 19:00 V 100 = 0,63 V 10 + 5,025 0,51 4,70 13,00 0,0 Cienfuegos 07:00 V 100 = 0,80 V 10 + 3,630 0,49 2,00 5,24 0,0 19:00 V 100 = 0,74 V 10 + 3,900 0,62 2,88 6,03 0,0 Es obvio el parecido de las cuatro ecuaciones obtenidas, donde los coeficientes de V 10 y los términos independientes difirieron en el orden de las centésimas para las dos estaciones y las dos horas de sondeo. La diferencia entre ambos puntos de medición es aproximadamente 0.15 en el coeficiente de V 10 y de aproximadamente 1.4 en el término independiente y esto es debido al emplazamiento de las estaciones que, mientras Cienfuegos se encuentra a la orilla del mar con efectos de brisa y terral, Camagüey se encuentra en el centro de nuestra isla con características casi continentales. Fig. 9. Ploteo de la Relación de Incrementos V 100 /V 10 =R I. a)cienfuegos 19:00, b)cienfuegos 07:00, c)camagüey 19:00, d)camagüey 07:00.
4. CONCLUSIONES De lo anteriormente expuesto se concluye que: a) Los resultados obtenidos sirven para evaluar económicamente la posibilidad de utilizar torres altas en los cálculos de utilización de la energía eólica. b) En los puntos de trabajo, aunque difirieron bastante en sus características físicogeográficas, el viento, en los primeros 100 m de altura aumenta a razón de 1 es a 0,6 de acuerdo con el viento en superficie. c) La carta de altura contra rapidez del viento es útil para estudios posteriores acerca del jet de bajos niveles. d) Conociendo la frecuencia del viento en superficie se puede optimizar la altura de un generador eólico energético en un lugar arbitrario dentro del rango de probabilidades establecido. BIBLIOGRAFIA Atlas Eólico Preliminar de América Latina y el Caribe. OLADE.(1983): Serie: Documentos D - PLACE No 8. México. Aspectos Meteorológicos de la Utilización del Viento como fuente de energía (1984): OMM No 575. T.N. 175. Ginebra. Suiza. ALVAREZ, R.; ALVAREZ, O.; ALVAREZ, A.; ALVERO, M.V. (1984): El viento como fuente de energía complementaria. Primer Fórum de Energía. Habana. Cuba. ALVAREZ, R. (1983): Estudio de un nuevo método de empleo de los datos de viento para su aplicación a los problemas de la contaminación del aire. Ciencias de la Tierra y el Espacio No 6. ALVAREZ, R., et. al., (1992): Estudio del viento en Camagüey para su aplicación a la agricultura y la ganadería. Memorias. Encuentro METEO- 92, Octubre 1992, Tomo II. pp 55-56, 1-9. CARNESOLTAS, M. y RODRIGUEZ, G. (1985):Estudio de la corriente de chorro de bajo nivel en Cuba. (Inédito). SOLTURA, R., MON, S, RODRIGUEZ, G., ROQUE, A., AYALA, L. (1997) Atlas Eólico de Cuba. Estadística y Climatología. Potenciales climáticos de generación eólo - eléctrica y bombeo eléctrico. Revista Solar No. 33 Primavera 1997. ANES. Sección Mexicana de la International Solar Energy Society, pp 13-24.