Diez Preguntas y Respuestas Sobre Energia Eolica

EDICIN

Alejandro Montesinos Larrosa Lourdes Tagle Rodrguez Jorge Santamarina Guerra

CORRECCIN

DISEO, REALIZACIN Y GRFICOS

Alexis Manuel Rodrguez Diezcabezas de Armada

Colectivo de autores, 2007 Sobre la presente edicin: Editorial CUBASOLAR, 2007 ISBN 978-959-7113-34-8EDITORIAL

CUBASOLAR Calle 20 No. 4113, esq. a 47, Miramar, Playa, Ciudad de La Habana, Cuba. Tel.: (537) 2059949 e-mail: [email protected] http://www.cubasolar.cu

Esta obra es el resultado del esfuerzo conjunto de los integrantes del Grupo de Trabajo para el Impulso de la Energa Elica, creado por el Consejo de Estado de la Repblica de Cuba en septiembre de 2005. El trabajo se ha realizado bajo la conduccin del Equipo de Coordinacin y Apoyo del Comandante en Jefe. Han tenido una destacada participacin autoral los compaeros siguientes: Dr. Ing. Conrado Moreno Figueredo1 Dr. Ing. Jos Martnez Escanaverino1 Ing. Guillermo Leiva Viamonte2 Lic. Alfredo Roque Rodrguez3 Lic. Ral Novo Mesegu2 Dr. Ing. ngel Costa Montiel4 Dr. Ing. Carlos Llanes Burn5 Ing. Omar Herrera Snchez1 Dr. Ing. Antonio Sarmiento Sera1 Dr. Ramn Prez Surez3 Dra. Miriam Limia Martnez3 M.Sc. Alejandro Montesinos Larrosa6 Ing. Manuel Menndez Castellanos71

Centro de Estudio de Tecnologas Energticas Renovables (CETER), Instituto Superior Politcnico Jos Antonio Echeverra (CUJAE). 2 EcoSol Solar, Gerencia de Proyectos, COPEXTEL S.A. 3 Instituto de Meteorologa (INSMET), Ministerio de Ciencia, Tecnologa y Medio Ambiente (CITMA). 4 Centro de Investigaciones y Pruebas Electroenergticas (CIPEL), Instituto Superior Politcnico Jos Antonio Echeverra (CUJAE). 5 Centro de Estudios de Construccin y Arquitectura Tropical (CECAT), Instituto Superior Politcnico Jos Antonio Echeverra (CUJAE). 6 Sociedad Cubana para la Promocin de las Fuentes Renovables de Energa y el Respeto Ambiental (CUBASOLAR). 7 Consejo de Estado de la Repblica de Cuba.

Como se conoce, la energa elica es la fuente de energa renovable que mayor auge ha tenido en el mundo en los ltimos aos. Su costo de instalacin es ya competitivo respecto a las fuentes tradicionales de energa. Como lnea estratgica de este desarrollo el elico se sometern a prueba diversas tecnologas, incluyendo aquellas diseadas para soportar los frecuentes huracanes que nos azotan. [...] Se ejecutan mediciones de la velocidad del viento a 50 metros de altura en puntos seleccionados de estas macrolocalizaciones, lo que permite la precisin de los sitios ms idneos, y se dan pasos para prximamente conocer las potencialidades de la energa elica en todo el pas.

COMANDANTE EN JEFE FIDEL CASTRO RUZ Pinar del Ro, 17 de enero de 2006

Se avanza rpidamente, por otro lado, en los estudios, investigaciones y pruebas para emplear cuanto antes sea posible la energa elica. Ya hemos adquirido los primeros cien equipos estn al llegar, cien estaciones para medir la velocidad del viento en todas las regiones fundamentales del pas, y en muchas de ellas hay perspectivas altamente favorables; ya veremos cuando tengamos la informacin, la velocidad con que las construiremos. El sistema con grupos electrgenos se adapta muy bien al empleo de la energa elica, porque los vientos son caprichosos y cambiantes; a un sistema como el que tenamos de grandes plantas era absolutamente imposible incorporar o sincronizar la electricidad que emanara del viento; bastaran ocho horas de viento y ya sera muy econmico.

COMANDANTE EN JEFE FIDEL CASTRO RUZ La Habana, 1ro. de mayo de 2006

NDICE

INTRODUCCIN Hacia el despegue de la energa elica en Cuba PREGUNTA 1 Hacia dnde avanza el desarrollo de la energa elica y cul es la situacin de Latinoamrica y el Caribe? Respuesta breve 1.1. La energa elica: una necesidad de hoy y de maana 1.2. Desarrollo de la energa elica en el mundo 1.3. Desarrollo de la energa elica en Cuba PREGUNTA 2 Cmo se puede conocer la potencialidad del viento de un pas o regin y cul es la situacin de Cuba? Respuesta breve 2.1. El viento y su medicin 2.2. La turbulencia 2.2.1. El experimento de Reynolds 2.2.2. La turbulencia atmosfrica 2.2.3. La intensidad de la turbulencia 2.2.4. Turbulencia y clases de aerogeneradores segn la IEC 2.3. Energa y potencia del viento 2.4. Los vientos en el mundo y en Cuba 2.5. Particularidades del viento en las zonas montaosas

13 21 21 23 30 35 37 37 39 45 47 48 50 51 54 59 74

2.6. 2.7.

Determinacin del potencial elico de un pas o regin Situacin actual de Cuba

77 90 91 91 93 94 108 108 115 117 119 122 122 135 145 148 149 150 151 151 152 152 156 157 165 167 167 168 172 179

PREGUNTA 3 Cules son las tecnologas utilizadas en los aerogeneradores? Respuesta breve 3.1. Generalidades 3.2. La turbina elica 3.3. Tren de fuerza y otros accionamientos 3.3.1. Trenes de fuerza con multiplicador 3.3.2. Trenes de fuerza sin multiplicador 3.3.3. Accionamientos de orientacin 3.3.4. Accionamientos de cambio de paso 3.4. Generador y convertidor 3.4.1. Generadores asincrnicos 3.4.2. Generadores sincrnicos 3.5. Torre 3.6. Sistema de control 3.7. Proveedores 3.8. Costos de los aerogeneradores y sus componentes PREGUNTA 4 Qu capacidades de generacin han alcanzado los aerogeneradores? Respuesta breve 4.1. Introduccin 4.2. Breve historia de los aerogeneradores 4.3. Desarrollo de la aerodinmica 4.4. Desarrollo en el siglo XX 4.5. Conclusiones PREGUNTA 5 Cules son los resultados alcanzados a nivel internacional en el aprovechamiento elico? Respuesta breve 5.1. Generalidades 5.2. Produccin de energa de una turbina aislada 5.3. Produccin de energa de un parque elico PREGUNTA 6 En qu se diferencian los aerogeneradores conectados a la red elctrica nacional o regional de los destinados a regiones aisladas, y cmo se disean? Respuesta breve 6.1. Introduccin 6.2. Desarrollo de las turbinas elicas 6.3. Diferencias 6.4. Sistemas hbridos 6.5. Diseo

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6.6. 6.7.

Procedimiento para el diseo Experiencia cubana en el desarrollo de aerogeneradores 6.7.1. Especificaciones tcnicas 6.8. Los parques elicos y la generacin distribuida PREGUNTA 7 Cmo se proyecta un parque elico, cules son sus costos y cmo se construye? Respuesta breve 7.1. Proyeccin de un parque elico 7.2. Fases del proyecto 7.3. Anlisis econmico 7.3.1. Factores que influyen en la economa de un parque elico 7.3.2. Anlisis de rentabilidad 7.3.3. Tiempo de recuperacin de la inversin (TRI) 7.3.4. Ejemplo 7.4. Construccin de un parque elico PREGUNTA 8 Cmo se protegen los aerogeneradores de los huracanes? Respuesta breve 8.1. Generalidades 8.2. Los huracanes en Cuba 8.3. La velocidad mxima del viento 8.4. Inundaciones costeras en Cuba por penetraciones del mar 8.4.1. Causas de las inundaciones costeras en Cuba 8.4.2. Qu es la surgencia? 8.5. Seleccin de los aerogeneradores para condiciones extremas 8.6. Experiencia del parque elico de Wigton, Jamaica 8.7. Experiencia del parque elico de Shanwei, China 8.8. Experiencia del parque elico de las islas Miyako, Japn 8.9. Resumen de las experiencias 8.10. Aerogeneradores abatibles PREGUNTA 9 Cmo se prepara el personal que proyecta y opera los parques elicos y cmo se organizan las actividades de investigacin-desarrollo? Respuesta breve 9.1. Generalidades 9.2. Alemania 9.3. Espaa 9.4. Dinamarca 9.5. India 9.6. Brasil

192 200 202 204 209 209 210 213 214 215 218 219 219 220 227 227 228 230 235 238 238 239 241 242 244 245 246 247

249 249 250 250 250 252 253 253

9.7. 9.8.

Cuba Otros pases

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PREGUNTA 10 Qu impacto tienen los parques elicos sobre el medio ambiente? Respuesta breve 10.1. Introduccin 10.2. Emisiones 10.3. Aceptacin por la comunidad 10.4. Ruido 10.5. Uso del suelo 10.6. Interferencia electromagntica 10.7. Efecto sobre las aves y peces ANEXOS 1. Cmo calcular los beneficios que aportan los proyectos de energa elica? 2. Hay viento para cubrir siete veces las necesidades actuales de energa elctrica de la humanidad 3. Unidades de medida de la energa y la potencia 4. Nomenclatura, definiciones y datos principales 5. Abreviaturas, siglas y acrnimos 6. Glosario elico 7. Breve cronologa del desarrollo de los aerogeneradores (hasta el 2000) 8. Breve cronologa de la energa elica en Cuba despus de 1959 9. Bibliografa consultada 10. Sitios Web sobre energa elica 11. Bibliografa cubana sobre energa elica

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INTRODUCCINHacia el despegue de la energa elica en Cuba

Una madrugada del 2004 en las oficinas del Consejo de Estado, al calor de los anlisis y discusiones en torno a la crtica situacin que entonces enfrentaba el sector energtico nacional y el inters que despertaban las noticias de muchos lugares del mundo sobre el ritmo de crecimiento acelerado que estaba experimentando la utilizacin del viento para la produccin de energa limpia y barata, el Comandante en Jefe Fidel Castro plante a un grupo de compaeros la necesidad de buscar toda la informacin sobre esa industria e impulsar investigaciones al respecto. En realidad, el pas no haca sino retornar a los cauces trazados por el Jefe de la Revolucin y por el Partido desde mucho antes, que reclamaban la necesidad de promover el sector energtico renovable, no solo por razones ambientalistas que hubieran sido suficientes, sino porque aprovecharlo fortalecera nuestra economa y reducira su dependencia de los combustibles fsiles importados, as como los altos costos de produccin de la energa que Cuba requera emplear para su desarrollo.

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DIEZ PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE ENERGA ELICA

La Resolucin Econmica del V Congreso del Partido, en 1997, nos indicaba adems el rumbo: En los portadores energticos, a los que el pas dedica alrededor de la tercera parte de sus ingresos totales en divisas, ser necesario, de una parte, concentrar los esfuerzos en el ahorro de los tradicionales en toda la cadena de su utilizacin; y de la otra, el desarrollo de las fuentes nacionales, en particular las renovables () El empleo de la energa renovable confirma cada vez ms sus extraordinarias potencialidades y la variedad en la obtencin () El examen de la economa energtica deber tener una alta prioridad, tanto en las nuevas inversiones como en las instalaciones existentes, teniendo en cuenta el indisoluble nexo entre eficiencia econmica y energtica y los adelantos de la ciencia y la tcnica. A la noche siguiente, acompaado de un colectivo de especialistas varios de ellos con determinados conocimientos en la materia y consagrados con abnegacin durante muchos aos a las fuentes renovables de energa, en especial la elica, y otros que debimos aprender sobre la marcha, comenzamos a trabajar en la tarea. As, en julio de 2005, tras visitar el parque elico de Wigton, en Jamaica, despus del paso del huracn Dennis, pudimos poner en manos de la direccin del pas un conjunto de herramientas conceptuales preliminares que permitieron organizar los pasos siguientes y trazar con posterioridad una estrategia de asimilacin de estas tecnologas y de realizacin de pruebas en escala reducida para aprender a dominar la tcnica de la generacin elica. Todo lo ocurrido a partir de ese momento, y de la constitucin dos meses despus del Grupo de Trabajo para el Impulso de la Energa Elica, forma parte del camino delineado para impulsar la Revolucin Energtica en la nacin. Entre sus resultados parciales ms significativos est la culminacin de la primera versin del mapa elico de Cuba, instrumento de valor cientfico capital para poder orientar la prospeccin de los lugares ms idneos donde ubicar este tipo de obras energticas.

INTRODUCCIN

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Debe decirse que las primeras mediciones realizadas a cincuenta metros de altura van arrojando resultados promisorios, sobre todo en la regin oriental del territorio, en una faja costera que se extiende desde el norte de Camagey hasta Mais, con lugares como Gibara, donde los valores de potencia elica acumulados son equiparables con los conocidos internacionalmente. Y el otro resultado parcial significativo fue la inauguracin, en febrero de 2007, del parque elico experimental de Los Canarreos, en la Isla de la Juventud, con tecnologa de paso variable y torre abatible (Vergnet), que eleva la capacidad nacional a 2,1 MW, al que se aadirn otros con tecnologa de paso variable (Gamesa) y de paso fijo (Goldwind), que sumados a los ya existentes, como el de Turiguan, de paso fijo (Ecotcnia), totalizarn en los primeros meses del prximo ao algo ms de 11 MW de potencia instalada para esta primera fase experimental, aunque el valor real estar en poder confrontar y aprender diferentes tecnologas. La velocidad, intensidad y complejidad de la tarea, y la pequea cantidad inicial de ingenieros y tcnicos con conocimientos profundos en esta materia, evidenciaron que un primer requisito que se deba cubrir iba a ser la capacitacin de todos los recursos humanos implicados en ella. Esto inclua desde meteorlogos, ingenieros y tcnicos de la industria elctrica, hasta especialistas de diversos sectores de la economa (industrias mecnica y de la construccin, profesores universitarios y expertos en medio ambiente), entre otros. En los ltimos meses, y de forma acelerada, un nmero considerable de profesionales y tcnicos ha recibido cursos y realizado estudios de postgrado, tanto en Cuba como en el exterior. Todos los viernes, desde septiembre de 2005, como parte del orden del da de las reuniones del Grupo de Trabajo para el Impulso de la Energa Elica, se realiza una sesin de estudios tcnicos en la que han desempeado un destacado papel profesores del Centro de Estudio de Tecnologas Energticas Renovables (CETER), adscrito al

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Instituto Superior Politcnico Jos Antonio Echeverra (ISPJAE), y tcnicos de la empresa EcoSol Solar. Sin embargo, puede considerarse que todo esto es insuficiente para la envergadura de la tarea que se ha planteado nuestro pas. De ah que, inspirados en todas esas ideas, nos propusimos reunir en un libro las nociones elementales sobre la generacin de electricidad a partir de la energa elica, que es actualmente en el mundo la fuente energtica con el crecimiento ms dinmico. No es un texto acabado, porque tanto quienes llevan aos inmersos en este trabajo como los que hace poco nos incorporamos a l, descubrimos todos los das algo nuevo y til. Al mismo tiempo ganamos conciencia sobre lo mucho que queda por aprender. El libro, por tanto, est dirigido a un amplio universo de lectores, con particular nfasis en los estudiantes, tcnicos, profesores, especialistas y a todos los que tienen responsabilidades en la adopcin de decisiones referidas a la energa elica. Cada pregunta est precedida de un resumen denominado Respuesta breve, que centra su anlisis en un tema especfico, para que cada lector pueda satisfacer sus necesidades de una manera ms rpida y precisa. A continuacin exponemos algunos comentarios con el nimo de informar su contenido y motivar el inters por la lectura: Elaborado en forma de preguntas y respuestas, en la primera se aportan las coordenadas del desarrollo de la energa elica en el mundo, fundamentalmente en los ltimos cincuenta aos, al tiempo que se documenta su baja presencia en la regin latinoamericana y caribea. La respuesta a la pregunta dos subraya la importancia de conocer la potencialidad del viento de cualquier regin o pas antes de emprender un proyecto elico. Por su situacin geogrfica, nuestro archipilago est sometido a la influencia permanente de los vientos alisios, los llamados nortes y sures, y las brisas. Tambin hay referencias a la primera versin del mapa elico de Cuba y al mapa de evidencias ecolgicas resultado de muchas exploraciones, con-

INTRODUCCIN

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feccionados ntegramente por un colectivo de cientficos y tcnicos cubanos. Las preguntas tres, cuatro y cinco permiten conocer las diversas tecnologas utilizadas en los aerogeneradores, las capacidades de generacin alcanzadas y el nivel de desarrollo internacional en el aprovechamiento del potencial elico, sobre todo acentuando en aquellos aspectos cuya comprensin constituye, despus del estudio del viento, la clave de las proyecciones energticas elicas futuras. En la respuesta seis se presentan los mtodos de diseo y las diferencias entre los aerogeneradores conectados a la red elctrica nacional o regional y los destinados a zonas aisladas. Se enfatiza en la exigencia de estudiar el nivel de penetracin de la energa elica en cualquier sistema elctrico, basado en la inestabilidad del recurso elico, por lo que siempre debe estar combinada con otra fuente energtica. La siguiente sptima fija su atencin en la proyeccin, costos y construccin de los parques elicos, cuestin sobre la que queda mucho por aprender en nuestro pas. Las ltimas interrogantes abordan tres temas: la proteccin de los aerogeneradores ante el azote de ciclones tropicales, la formacin de los recursos humanos y el impacto medioambiental de los parques elicos. El tema de los ciclones tropicales resulta otra rea en la que an resta por investigar, particularmente en Cuba y en toda la regin del Caribe. Afortunadamente, nuestro pas ha acumulado una experiencia en el manejo y pronstico de estos fenmenos meteorolgicos que es un referente internacional, la cual debe permitirnos profundizar y avanzar. Por eso, y como parte de los estudios, se instalaron aerogeneradores abatibles en el parque elico de prueba de la Isla de la Juventud, para defenderlos mejor del paso de los huracanes y asimilar toda la experiencia que de ah se derive. En el proceso final de redaccin surgi la necesidad de incorporar otras informaciones que en esta edicin forman parte de los anexos, con temas como el clculo del ahorro de portadores energticos conven-

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cionales por el empleo de la energa elica, el potencial elico mundial, las unidades de medida de la energa y la potencia, la historia y la bibliografa de la energa elica en Cuba. No obstante, varios temas quedaron por abordar. Aunque en esta ocasin el nfasis se pone en la aerogeneracin, en Cuba existe una notable tradicin en el uso de los molinos de viento para el abastecimiento de agua. La introduccin de estas aerobombas data de finales del siglo XIX y en los ltimos meses se incrementa su presencia, fundamentalmente en la ganadera. Vivimos en un mundo en el que las guerras por el control de los recursos energticos son cada vez ms frecuentes, donde los precios del barril de petrleo han llegado a niveles impresionantes, dificultando su adquisicin para los pases ms pobres, y en el cual las maniobras imperialistas para retrotraer las economas tercermundistas al monocultivo con fines energticos se perfilan como otra sucia jugada de los poderosos, con el fin de sostener sus derrochadores y abusivos patrones de consumo y de vida, sin importarles que con ello condenan a miles de millones de seres humanos a la muerte prematura por hambre y sed. En ese mundo, el viento un recurso libre se nos ofrece como una alternativa viable, posible e incluso imbloqueable! De ah que en muchos confines del planeta sea cada vez mayor el nmero de personas que claman el trnsito de la cultura energtica consumista hacia otra, sostenible. En la Unin Europea, por ejemplo, se ha establecido una norma para todos los pases mediante la cual en el 2020 deben satisfacer 20% de la demanda energtica con fuentes renovables, con especial nfasis en la energa elica. Solo en uno de ellos, Dinamarca, la mitad de toda la energa que se producir y consumir el pas, por directiva gubernamental, deber ser proporcionada por mquinas elicas para el 2025. Otros, como Alemania y Espaa, con los mayores ndices de generacin instalada, se han impuesto llegar a cubrir en breve 15% de sus necesidades con esta fuente.

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Y no faltan naciones, como China y la India, con necesidades gigantescas de consumo energtico para garantizar el desarrollo de sus enormes poblaciones, que ya han alcanzado significativos avances. La demanda de esta transformacin ha impulsado tambin una industria de elevadsima calificacin y altos costos de produccin, dada por la complejidad de los sistemas electromecnicos que componen los aerogeneradores y, en especial, por el diseo y construccin de sus componentes aerodinmicos. Esta industria se encuentra mayormente controlada por poderosas transnacionales y no podemos excluir que algunos de sus productores sean vctimas de las presiones y el bloqueo de los Estados Unidos contra nuestro pas. Cuba se inserta en este complejo escenario con una estrategia y un programa de trabajo. En l la formacin y la capacitacin, en paralelo con la investigacin, el desarrollo y la aplicacin prctica de los resultados, sern tareas decisivas, para lo cual aprenderemos haciendo, pero evitando los errores de otros que nos antecedieron. Si en algunos pases del mundo el desarrollo del sector fue resultado de las contradicciones capitalistas y de las luchas populares contra el uso de la energa nuclear y la contaminacin ambiental, en Cuba gozamos el privilegio de nacer con un programa regido por una voluntad y un mandato poltico y gubernamental claro a favor del ahorro de combustibles fsiles, el empleo de las energas renovables, elicas en particular, y de la proteccin del medio ambiente. Los resultados de este programa beneficiarn a todos los cubanos y constituirn, llegado el momento, un rea de cooperacin con otros pueblos hermanos. Todo este esfuerzo por desarrollar la energa elica en Cuba tiene un inspirador, como estratega de la Revolucin Energtica: nuestro Comandante en Jefe, quien permanentemente se ha mantenido al tanto de la marcha del programa, aun durante su ms reciente perodo de convalecencia. Las maquetas de aerogeneradores que lo acompaan en su oficina son testigos del inters del Jefe de nuestra Revolucin por ese propsito.

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Por todo ello y en nombre del colectivo de autores y del Grupo de Trabajo para el Impulso de la Energa Elica, nos complace poner esta obra a disposicin de los lectores. Les agradeceremos que la sientan como suya y que la enriquezcan con sus consideraciones, contribuciones y nuevas preguntas. Seguramente en poco tiempo deberemos plantearnos una nueva edicin con diez o ms nuevas preguntas no abordadas en la presente. Como nos ha enseado Fidel, no nos detendremos aqu. Avanzaremos por esta senda y aprenderemos a utilizar el viento, que si bien soplar mientras el planeta gire sobre su eje, siempre ser cambiante, sorprendente, caprichoso y altamente energtico. MANUEL MENNDEZ CASTELLANOS La Habana, marzo de 2007

Hacia dnde avanza el desarrollo de la energa elica y cul es la situacin de Latinoamrica y el Caribe?

PREGUNTA 1

Respuesta breveLa generacin mundial de energa elctrica, tan importante para el desarrollo humano, se ha incrementado durante los ltimos cincuenta aos a un ritmo varias veces superior al del crecimiento de la poblacin. El consumo promedio de electricidad correspondiente a cada habitante del planeta, en todas sus aplicaciones domsticas, industriales y de transporte, ronda hoy los 200 kWh mensuales, aunque su distribucin es muy desigual. Ms de 65% de este consumo lo satisfacen plantas termoelctricas que queman carbn, gas o petrleo. La demanda creciente de estos combustibles no renovables ha desatado un continuo aumento de los precios que afecta a la economa mundial. Adems, la combustin de tales combustibles fsiles produce gases, como el dixido de carbono (CO2), cuyo efecto invernadero provoca el incremento de la temperatura de la superficie del planeta, lo cual trastorna cada vez ms los regmenes de lluvia, acrecienta la ocurrencia de huracanes y provoca el ascenso del nivel

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Fig. 1.1. La combustin de hidrocarburos produce gases de efecto invernadero que constituyen una de las causas principales del cambio climtico global. (Fuente: Alejandro Montesinos).

de los mares, entre otras consecuencias nefastas a escalas local y global (Fig. 1.1). Para enfrentar estos problemas, la humanidad necesita desarrollar y aplicar tecnologas generadoras de electricidad basadas en fuentes renovables de energa, y que no emanen a la atmsfera gases de efecto invernadero. Entre las fuentes de energa, la del viento se destaca en varios aspectos decisivos: la energa elica en referencia a Eolo, el dios de los vientos en la mitologa griega es renovable, abunda en muchas regiones del planeta, la tecnologa para su aprovechamiento est disponible, no emite gases de efecto invernadero ni otros contaminantes ambientales, y tampoco requiere grandes reas de captacin. Por todo ello, cada vez ms pases optan por la produccin masiva de electricidad a partir del viento (Fig. 1.2). Europa contina encabezando este propsito, con la mayor capacidad instalada. Durante el 2005, Norteamrica y Asia realizaron fuertes inversiones en energa elica e incrementaron sus capacidades de generacin en 37 y 49%, respectivamente. En ese mismo ao la regin del Pacfico creci 58%, mientras frica y el Medio Oriente, an con niveles bajos, tuvo un incremento de 38%. Latinoamrica y el Caribe es actualmente la regin del mundo con menor crecimiento en la energa elica, apenas 3% en el 2005, y con la menor capacidad instalada, con solo 236 MW. Costa Rica y los pases del Caribe, aunque no crearon nuevas capacidades durante el 2005, poseen 63,1% de la capacidad instalada en toda la regin, con 149 MW. Cuba, con una modesta capacidad instalada de 0,48 MW, tiene en marcha un programa para el desarrollo acelerado de la energa elica y avanza rpidamente en los estudios previos del viento para determinar sus potencialidades reales. Al mismo tiempo, se trabaja en la instalacin de parques elicos para probar en una escala limitada las diferentes tecnologas que hoy se conocen. Los resultados que se obtengan de la medicin del viento, ms la experiencia que se adquiera con esos primeros parques, abrirn el camino para un desarrollo superior.

PREGUNTA 1. HACIA DNDE AVANZA EL DESARROLLO DE LA ENERGA ELICA...?

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1.1. La energa elica: una necesidad de hoy y de maanaSe denomina energa elica a la obtenida a partir del viento. Esta energa se comenz a utilizar hace miles de aos para impulsar las embarcaciones de vela y posteriormente para mover los molinos de viento, capaces de moler cereales y bombear agua. Los molinos y los veleros son medios tcnicos que aprovechan parte de la energa cintica del viento para realizar trabajo mecnico directo en el sitio. Modernamente, se han desarrollado medios para obtener una forma ms valiosa de energa a partir de la energa elica, la elctrica, que puede ser transmitida a distancia y utilizada de las ms diversas formas. La generacin de electricidad a partir del viento se ha convertido en una rama muy dinmica de la energtica, y varios pases se han propuesto cubrir en el futuro no lejano una parte importante de sus necesidades elctricas con ella. A continuacin se presenta el escenario donde tiene lugar el desarrollo actual de la energa elica. En 1950 viva4n en nuestro planeta unos 2 550 millones de habitantes, que consumieron en total 1,2 billones de kilowatt-hora (kWh) de energa elctrica, o sea, 1,2 millones de millones. Desde entonces, la poblacin mundial ha crecido dos veces y media, mientras el consumo de electricidad se ha multiplicado por trece. Esto revela la importancia que tiene la aplicacin de la electricidad en el desarrollo humano.

Fig. 1.2. La generacin de electricidad a partir de la energa elica crece cada ao de manera sostenida. (Fuente: Instituto Alemn de Energa Elica).

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Aunque actualmente el consumo promedio de electricidad de un habitante ronda los 200 kWh mensuales (incluidos los gastos de electricidad, tanto industriales y de transporte como domsticos), el mayor consumo por habitante lo registra Islandia, con 2 300 kWh mensuales; y el menor, Etiopa y Hait, con 2,5 kWh al mes. El latinoamericano medio consume 133 kWh al mes. Como pas, el mayor consumidor absoluto es Estados Unidos, con 3 803 TWh/a, seguido por la Repblica Popular China, con 1 776 TWh/a. En la figura 1.3 se muestran los aportes de las diversas fuentes de energa a la generacin de electricidad en el mundo actual, tomando como muestra las cifras del 2003. Esto evidencia que actualmente la mayor parte de la electricidad generada se obtiene mediante la combustin de combustibles fsiles (carbn, gas y petrleo). Esa ha sido la realidad durante muchos aos, pero dos serios problemas se oponen a la continuacin indefinida de tal estado de cosas: El rpido incremento que estn sufriendo los precios de los combustibles fsiles, provocado sobre todo por el creciente desequilibrio entre la oferta y la demanda. El calentamiento global debido al aumento de la concentracin de los gases de efecto invernadero en la atmsfera, en primer lugar el dixido de carbono (CO2), que amenaza con un desastre climtico de imprevisibles consecuencias. El primer problema ya est desestabilizando las economas de varios pases que importan combustibles fsiles. Y el segundo problema no es menos serio, pues se pronostica un incremento, en nmero e intensidad, de desastres naturales (tormentas, huracanes, inundaciones, sequas), as como la subida del nivel de los mares, entre otros efectos funestos, debido al incremento de la temperatura de la superficie de la Tierra y su atmsfera. La figura 1.4 aporta valores representativos de las emisiones de CO2 debidas a la combustin de los combustibles fsiles en las plantas termoelctricas actuales, por unidad de energa elctrica generada.


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En estos momentos, las emisiones de dixido de carbono a la atmsfera se producen a razn de 3,99 toneladas al ao por habitante del mundo. Este valor medio est muy desigualmente distribuido, pues a cada habitante de Kuwait le corresponde una emisin media de 24,3 t/a, mientras en la Repblica Democrtica del Congo el valor per cpita es de 0,04 t/a. A cada latinoamericano le corresponde una emisin de 1,97 t/a. Como pas, el mayor emisor absoluto es Estados Unidos, con 5 728 millones de toneladas anuales, seguido por la Repblica Popular China, con 3 719 millones. Es por ello que el contenido de CO2 de la atmsfera es hoy 31% ms alto que hace 250 aos. Como resultado, la temperatura media de la superficie del planeta se ha incrementado en 0,6 C desde 1860, y podra aumentar 5,8 C ms en los prximos cien aos si no se toman medidas para cambiar radicalmente el rumbo actual. En varios pases se desarrollan las llamadas tecnologas limpias de generacin de energa elctrica a partir de combustibles fsiles, que prometen reducir drsticamente emisiones de algunos gases, como los xidos de nitrgeno y azufre, responsables de la niebla txica (smog) y la lluvia cida, y de secuestrar los gases de efecto invernadero y almacenarlos en pozos de petrleo agotados o en cavidades subterrneas naturales. Pero se trata de tecnologas an en desarrollo, complejas, y con un costo de 40 a 100 por cada tonelada de CO2 secuestrado. Tambin, por esta causa, es evidente que los costos de generacin de electricidad con los combustibles no renovables seguirn en aumento.

Fig. 1.3. Fuentes de energa utilizadas en el 2003 para generar electricidad. Fig. 1.4. Emisiones de CO2 de las plantas termoelctricas actuales, en kg/kWh.

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Conscientes de los peligros existentes, muchos pases se han agrupado en la Convencin del Cambio Climtico, son firmantes del Protocolo de Kyoto y trabajan para frenar el crecimiento de la concentracin de CO2 en la atmsfera y llegar a detenerlo, en un plazo histrico breve. Respecto a la generacin de electricidad, las medidas que se deben tomar para la reduccin de las emisiones de gases de efecto invernadero avanzan en dos direcciones fundamentales: Introducir tecnologas que consuman menos electricidad para lograr el mismo efecto til, lo que reduce el crecimiento de la demanda. Sustituir las plantas termoelctricas tradicionales por otras que emitan menos dixido de carbono y que estn basadas, todo lo posible, en fuentes renovables de energa. La mayor fuente primaria de energa, adems de ser renovable y no contaminante, es la constituida por las radiaciones de onda corta provenientes del Sol, que incluyen la luz visible, con una potencia de hasta 1 400 W/m2, justo antes de entrar a la atmsfera terrestre. A este valor se le llama constante solar. A travs de tales radiaciones lleg la energa que acumulan ahora los combustibles fsiles, y de ellas se surten otras fuentes renovables de energa, como la hidrulica, dependiente del ciclo hidrolgico o ciclo del agua, que comprende la evaporacin del agua, la formacin de nubes y el retorno del agua en forma de lluvia o nieve. Este proceso ocurre a partir de la energa que llega del Sol. El Sol calienta el aire atmosfrico por dos vas: 1. Directamente con sus radiaciones de onda corta, 18% de cuya potencia es absorbida por el vapor de agua y el CO2 de la atmsfera, y por el polvo muy fino (aerosol) que flota en el aire. 2. Indirectamente mediante el calentamiento de la superficie de las tierras y los mares, que reciben 50% de las radiaciones de onda corta que llegan del Sol. Al calentarse, las tierras y los mares emiten radiaciones infrarrojas que son absorbidas en parte por el CO2 de la atmsfera, en el llamado efecto invernadero.


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El calentamiento del aire atmosfrico es desigual: mayor en el ecuador y menor en los polos, lo cual crea zonas de bajas y altas presiones baromtricas. El aire, como fluido, se mueve entonces de las zonas de alta presin a las de baja, lo que origina el viento. La gran masa de aire atmosfrico en movimiento a nivel planetario contiene una cantidad colosal de energa. Durante milenios, la humanidad solo aprovech una parte insignificante de esta energa por medio de los molinos de viento y las embarcaciones de vela. No fue hasta 1888, casi cuarenta aos despus de la creacin del primer generador elctrico, que el inventor y empresario norteamericano Charles F. Brush desarroll y oper en Cleveland, Ohio, el primer aerogenerador (wind turbine, en ingls). Se trataba de una mquina de 12 kW (Fig. 1.5), destinada a abastecer de electricidad la residencia de su inventor.

Fig. 1.5. Aerogenerador de Brush, instalado en 1888.

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Fig. 1.6. Aerogeneradores de La Cour, instalados en 1892.

Por otro lado, en 1890, el gobierno de Dinamarca inici el primer programa nacional para el desarrollo de la produccin de electricidad a partir del viento. Bajo la direccin del meteorlogo y profesor de tecnologa Poul La Cour, este programa desarroll investigaciones, form personal calificado y, basndose en ello, construy y puso en marcha en 1892 dos aerogeneradores de alta eficiencia, uno de 5 kW y otro de 25 kW, en la propia Escuela Pblica Superior de la pequea ciudad de Askov donde trabajaba su creador (Fig. 1.6). Un aerogenerador moderno es un equipo prefabricado que puede instalarse con rapidez sobre una pequea rea. Por ello, los aerogeneradores han pasado a ser los equipos energticos con mayor tasa de crecimiento en nmero y potencia. La instalacin de aerogeneradores en sitios con buenos vientos puede aportar considerables cantidades de energa y, adems, ayudar a reducir las emisiones de CO2 y otros gases a la atmsfera.


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La figura 1.7 muestra un aerogenerador alemn moderno E-48, de la firma Enercon, con 800 kW de potencia nominal. Los aerogeneradores generalmente se instalan en grupos, formando as plantas generadoras de electricidad denominadas parques elicos (wind farm, en ingls). Una instalacin de este tipo se dirige desde un puesto de mando centralizado, como una planta elctrica convencional. En la figura 1.8 se muestra un parque elico costa afuera, situado en el noroeste de Dinamarca, con una potencia total de 166 MW. La capacidad de generacin elica que puede asimilar un sistema elctrico se denomina penetracin elica (wind penetration, en ingls). Para los sistemas elctricos tradicionales, la penetracin elica puede llegar de 10 a 20% de la demanda media anual, con ajustes menores en sus prcticas de planeacin, operacin y fiabilidad. Por esa va, la penetracin elica en Dinamarca lleg en el 2005 a 16% de la demanda media anual, mientras que en Alemania lleg a 6% y en Espaa a 5%. En momentos de mucho viento y bajo consumo elctrico, la penetracin elica instantnea puede llegar a cifras mayores. En Espaa, durante septiembre de 2005, hubo momentos en que los parques elicos llegaron a proporcionar 30% de la demanda nacional de electricidad.

Fig. 1.7. Aerogenerador alemn de 800 kW de potencia nominal. (Fuente: Enercon).

Fig. 1.8. Parque elico costa afuera situado en el noroeste de Dinamarca. (Fuente: Siemens).

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A medida que los sistemas elctricos adquieran la flexibilidad y estabilidad apropiadas, se reestructuren para una generacin distribuida eficiente y se perfeccione el pronstico del viento, la penetracin elica puede llegar a valores considerablemente ms altos. Por ejemplo, en Dinamarca se trabaja para lograr que en el 2015 la energa elica proporcione 35% de la demanda media anual. Por su importancia y complejidad, el tema de la penetracin elica contina siendo objeto de mltiples investigaciones, sobre todo en los pases ms desarrollados en este campo. La energa elica es una necesidad de la energtica de hoy en transicin y de la energtica sostenible de maana, y no un fenmeno pasajero. Otras fuentes potenciales de energa, como las reacciones termonucleares y la diferencia de temperatura entre las aguas superficiales y las profundas, plantean para su aprovechamiento problemas muy complejos, cuyos plazos de solucin son en estos momentos imprevisibles, mientras la escalada de precios de los combustibles fsiles y los peligros del cambio climtico requieren de acciones inmediatas como las que la energa elica puede brindar.

1.2. Desarrollo de la energa elica en el mundoLa energa elica es desde hace aos la fuente de energa con el crecimiento ms dinmico del mundo, tendencia que se fortalece. En el 2005, la nueva capacidad instalada en todo el mundo fue de 11 769 MW, lo cual representa 43,4% de crecimiento con respecto a los 8 207 MW emplazados el ao anterior, estableciendo una nueva marca. El valor de los nuevos equipos instalados supera los doce mil millones de euros. Al final del 2005 la capacidad total instalada de generacin de electricidad elica a nivel mundial lleg a 59 322 MW, lo que represent un incremento de 25% en solo un ao. El lder en trminos de nuevas instalaciones durante el 2005 fue Estados Unidos, con 2 431 MW, seguido de cinco pases con gran desarrollo elico:


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Alemania (1 808 MW), Espaa (1 764 MW), India (1 430 MW), Portugal (500 MW) y China (498 MW). Los pases con las ms altas capacidades totales instaladas son Alemania (18 428 MW), Espaa (10 027 MW), Estados Unidos (9 149 MW), India (4 430 MW) y Dinamarca (3 122 MW). Por tanto, la India ha desplazado a Dinamarca del cuarto lugar en el mercado elico mundial. Otro grupo de pases, que incluye a Italia, el Reino Unido, los Pases Bajos, China, Japn y Portugal, ha rebasado ya los 1 000 MW de capacidad instalada cada uno (Fig. 1.9).

Fig. 1.9. Capacidad instalada por pases en el 2004. (Fuente: Instituto Alemn de Energa Elica).

Al cierre del 2005, Europa es el continente con mayor capacidad instalada, con 40 500 MW y 69% del total mundial. En el 2005 la capacidad europea de energa elica creci en 18%, de modo que ese continente recibe ahora de la fuente elica casi 3% de la electricidad que consume, con lo que ha alcanzado, con cinco aos de adelanto, la meta de 40 000 MW de energa elica prevista para el 2010 por la Comisin Europea. Para ese ao, el aporte de la energa elica en la reduccin de las emisiones europeas de gases de efecto invernadero cubrir un tercio de los compromisos de la Unin Europea con el Protocolo de Kyoto (Fig. 1.10).

Fig. 1.10. Capacidad instalada por regiones hasta el cierre de 2005. (Fuente: Instituto Alemn de Energa Elica).

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Casi un cuarto de la nueva capacidad instalada correspondi a Norteamrica, que creci 37% durante el 2005. En ese perodo el crecimiento de los Estados Unidos fue el mayor del mundo, y el de Canad alcanz la impresionante cifra de 53%. Asia tambin ha experimentado un fuerte crecimiento de la capacidad instalada, con 49%, y cuenta ahora con 7 135 MW de origen elico. El mayor incremento lo registr la India, actualmente con un total de 4 430 MW. El mercado chino duplic su crecimiento durante el 2005 con respecto al ao anterior, con la instalacin de 500 MW. Esto llev la capacidad total de China a 1 260 MW. La nueva Ley de Energa Renovable, que entr en vigor en enero de 2006, debe darle un impulso an mayor al crecimiento de la energa elica china, y es posible que para fines del 2010 alcance una capacidad instalada de 5 000 MW. El mercado australiano casi se duplic en el 2005 con 328 MW de nueva capacidad instalada, lo que elev el total hasta 708 MW. Se espera que los incentivos establecidos por el gobierno nacional y los gobiernos estaduales impulsen an ms este crecimiento. Por el contrario, Nueva Zelanda y las islas del Pacfico no aumentaron sus instalaciones de energa elica durante el 2005. El an incipiente mercado de frica y el Medio Oriente duplic la cifra de nueva capacidad instalada con respecto al 2004. Egipto, que creci de 145 a 230 MW; y Marruecos, de 54 a 64 MW, fueron los pases responsables del crecimiento en el continente. Durante el 2004 en Latinoamrica y el Caribe se instalaron 49 MW; sin embargo, el crecimiento de la capacidad instalada en la regin fue muy bajo durante el 2005. A los 230 MW instalados hasta el 2004 solo se le sumaron 6 MW, para un incremento inferior a 3%, el menor de todas las regiones del mundo. De ese modo, Latinoamrica y el Caribe siguen constituyendo la regin con menor capacidad instalada en energa elica, con un total de 236 MW. La tabla 1.1 aporta datos adicionales sobre el desarrollo reciente de la electricidad elica en la regin.


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Tabla 1.1. Capacidad elica instalada en Latinoamrica Pas Potencia Incremento instalada durante total a finales el 2005, del 2004, MW MW Costa Rica 71 0 Todos los del Caribe 78 0 Brasil 29 0 Argentina 26 1 Colombia 20 0 Otros 6 5 Total 230 6

y el Caribe Potencia instalada total a finales del 2005, MW 71 78 29 27 20 11 236

En la figura 1.11 se aportan detalles sobre las capacidades instaladas en los parques elicos caribeos, por pases. La figura 1.12 expone una vista del parque elico de Wigton, Jamaica, dotado de 23 aerogeneradores de 900 kW cada uno; fue inaugurado en julio de 2004, despus de diez meses de construccin.

Fig. 1.11. Capacidad elica instalada en los pases del Caribe, al trmino del 2005. (Fuente: Conrado Moreno). Fig. 1.12. Vista del parque elico de Wigton, en Jamaica. (Fuente: Wesley McLeod).

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En la figura 1.13 se muestran grficamente los valores de las nuevas capacidades de generacin de energa elica instaladas durante el 2005 en las distintas regiones del mundo.

Fig. 1.13. Nueva capacidad elica instalada por regiones durante el 2005. (Fuente: Asociacin Mundial de Energa Elica).

Durante aos, los parques elicos se construyeron tierra adentro o en lugares cercanos a la costa. Sin embargo, las reas marinas de escasa profundidad, costa afuera, contienen un recurso elico colosal y no muy difcil de aprovechar. Tales razonamientos llevaron a proponer el primer parque elico costa afuera (offshore, en ingls), en los aos setenta del siglo pasado. El primer aerogenerador apropiado para parques de este tipo fue una mquina de 220 kW instalada en 1991, a 250 m de la costa de Suecia, en el mar Bltico, en aguas de 7 m de profundidad. La torre descansaba en una base fijada al fondo por tres pilotes. El primer parque elico costa afuera fue instalado en 1991 en aguas de 3 a 5 m de profundidad, a 1,5 km de las costas de Dinamarca, cerca de la ciudad de Vindeby. Consta de once mquinas de 450 kW, fijadas al fondo por cimentaciones de gravedad que se mantienen en posicin solo por su propio peso. Desde entonces han sido instalados parques elicos costa afuera en Holanda, Dinamarca, Suecia, Reino Unido e Irlanda. Si a finales del 2001 solo se haban instalado 80 MW costa afuera en todo el mun-


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do, en el 2005 esa cifra lleg a 774 MW, y se espera que a finales del 2006 se alcancen 1 888 MW. Dinamarca se propone instalar 4 000 MW en este tipo de parque antes del 2030, lo que le permitir proveerse de la mitad de la energa elctrica necesaria a partir de fuentes renovables. Un ejemplo de la magnitud de las obras ya construidas, como parte de este programa, es el parque elico de Horns Rev, que consta de 80 aerogeneradores de 2 MW y 70 m de altura de buje (altura del eje de rotacin de la turbina elica sobre el suelo en los parques terrestres, o sobre el nivel del mar en los parques costa afuera), distribuidos en un rea de 20 km2 situada a unos 20 km de la costa, en aguas de 6,5 a 13,5 m de profundidad. En total, este parque genera unos 600 millones de kilowatt-hora de energa elctrica al ao. Este tipo de desarrollo se ve favorecido por la escasez de terrenos disponibles para nuevos parques elicos en muchas reas del densamente poblado norte de Europa, as como por el mnimo impacto visual y el poco ruido que los parques costa afuera producen en las zonas habitadas. Otro aspecto favorable es el incremento prcticamente ilimitado de las potencias de los aerogeneradores que se pueden instalar, adems de su mayor rendimiento, pues all los vientos son ms sostenidos y menos turbulentos. Todo ello debe compensar a largo plazo sus mayores costos de inversin y mantenimiento, unas dos veces superiores a los de los parques instalados en tierra. La subregin del Caribe, donde numerosos pases tienen pequeas extensiones territoriales y elevadas densidades de poblacin, podra ser una zona de inters para un estudio exploratorio con vistas al desarrollo futuro de parques elicos costa afuera.

1.3. Desarrollo de la energa elica en CubaEn el momento de escribirse este libro, y como parte de la Revolucin Energtica en Cuba, se dan pasos firmes para el desarrollo de la energa elica. Durante los ltimos quince aos, gracias al trabajo pionero de varias instituciones y personalidades nacionales,

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se realizaron algunos proyectos piloto de desarrollo elico que le permiten al pas contar actualmente con una capacidad instalada de 480 kW, como se indica en la tabla 1.2.Tabla 1.2. Capacidad de generacin de electricidad elica instalada hoy en Cuba Instalacin Capacidad instalada, kW Parque elico demostrativo de Turiguan, Ciego de vila 450 Instalaciones aisladas elicas y elico-fotovoltaicas 30 Total 480

Fig. 1.14. Instalacin de una torre anemomtrica en la Isla de la Juventud. (Fuente: Guillermo Leiva).

Se avanza rpidamente en los estudios previos de prospeccin del viento para conocer su real potencialidad, as como en la instalacin de parques elicos para probar en una escala limitada las ms importantes tecnologas de aerogeneradores que hoy se conocen. Uno de los logros iniciales de este programa elico es la confeccin del primer mapa elico de Cuba con fines energticos. Los resultados que se obtengan de la medicin del viento, ms las experiencias que se adquieran en esos primeros parques abrirn el camino hacia un desarrollo superior. Ya se instalan con fines de prospeccin elica cien estaciones anemomtricas a 50 m de altura en diferentes puntos del pas, lo cual en breve tiempo permitir conocer las posibilidades reales de instalacin de parques elicos en esos lugares (Fig. 1.14). Se trabaja tambin en la preparacin de personal tcnico y de operacin, por medio de cursos desarrollados al efecto e impartidos por especialistas nacionales, as como de conferencias de especialistas extranjeros de renombre. Este libro, como obra divulgativa, es parte de ese esfuerzo de preparacin del personal.

Cmo se puede conocer la potencialidad del viento de un pas o regin y cul es la situacin de Cuba?

PREGUNTA 2

Respuesta breveLa evaluacin del potencial elico responde a la necesidad de conocer las caractersticas del viento con el fin de producir energa en un sitio, regin o pas. Los resultados que se alcanzan mediante esta evaluacin son la velocidad media anual del viento, generalmente en m/s, y la densidad media de potencia del viento, generalmente en W/m2. A los efectos de la produccin de energa elica, los valores que interesan son las medias anuales, puesto que el viento no solo cambia constantemente, sino que sus valores medios varan segn la hora del da y la estacin del ao. La evaluacin del potencial elico de una regin o pas presenta tres facetas esenciales: 1. La elaboracin de un mapa elico a partir de los datos de viento registrados por las estaciones meteorolgicas durante dcadas. Estos datos son el resultado de mediciones que en principio deben registrarse cada hora, aunque en la prctica se realizan cada tres, con un tiempo de muestreo de 10 minutos, a 10 m de altura sobre el suelo.

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2. La recopilacin de indicadores indirectos evidencias geolgicas y ecolgicas de la velocidad y la direccin del viento, y su clasificacin y registro por regiones de inters, reflejada en un mapa de evidencias ecolgicas. 3. La prospeccin elica detallada de sitios considerados promisorios por al menos una de las dos investigaciones anteriores, mediante torres anemomtricas de hasta 100 m de altura, para realizar mediciones de la velocidad y rumbo del viento durante al menos un ao. Los resultados de la prospeccin elica son esenciales para decidir la ubicacin definitiva de los parques elicos en los lugares con mejores condiciones de viento. A partir del mapa elico es posible estimar el potencial eoloenergtico de una regin o un pas completo, es decir, a escala macroscpica pero con una precisin reducida, debido a que los valores del viento en la mayora de los puntos del mapa se han determinado por procedimientos de interpolacin, a partir de los valores dados por estaciones meteorolgicas situadas a varios kilmetros de distancia entre s, con instrumentos y mtodos apropiados para los fines del pronstico meteorolgico. No obstante, con todas sus limitaciones, tales estimados a nivel de regin o pas son indispensables para el trazado de la estrategia elica por las autoridades gubernamentales. En Cuba, gracias al trabajo de especialistas del Instituto de Meteorologa y de otras instituciones nacionales y locales, ya se ha completado la primera edicin del mapa elico de Cuba, basado en los datos de 68 estaciones meteorolgicas, recopilados durante dcadas y procesados con el reconocido software europeo WAsP. A partir del mapa elico se han obtenido estimados tcnicamente fundamentados de la capacidad instalable, de la potencia media anual de generacin y de la produccin anual de energa. Con ayuda del mapa elico de Cuba recientemente concluido y del mapa de evidencias ecolgicas, resultado del trabajo de especialistas que recopilaron e interpretaron un gran nmero de evidencias geol-

PREGUNTA 2. CMO SE PUEDE CONOCER LA POTENCIALIDAD DEL VIENTO...?

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gicas y ecolgicas del viento, se han elegido varias decenas de sitios promisorios para la instalacin de parques elicos, donde se estn instalando torres anemomtricas de hasta 100 m de altura para caracterizar en detalle el potencial elico de tales sitios, con vistas a la ubicacin definitiva de parques elicos en un futuro no lejano (Figs. 2.1 y 2.2).

2.1. El viento y su medicinEl viento constituye uno de los componentes principales del clima. Sustentan esta afirmacin su importancia como elemento climtico y la influencia que ejerce sobre los restantes componentes. El viento se define como aire en movimiento. En muchos textos y estudios se prescinde de su componente vertical, limitando la anterior definicin al movimiento totalmente horizontal. La causa fundamental del origen del viento est dada por las diferencias existentes de la presin atmosfrica entre un lugar y otro. Esas diferencias constituyen el gradiente horizontal de la presin atmosfrica. El movimiento del aire se establece desde los ncleos de presin alta a los de presin baja. En la medida en que aumente el gradiente horizontal de la presin atmosfrica, mayor ser el viento en un punto determinado. Al contrario de lo que ocurre con los dems elementos climticos, y debido a su propia naturaleza, el viento requiere de dos medidas: la velocidad y la direccin. Ambas son tratadas en Climatologa como dos elementos relativamente independientes y medidas por instrumentos distintos: el anemmetro y la veleta.

Figs. 2.1 y 2.2. Evidencias ecolgicas del viento identificadas por especialistas cubanos en Lengua de Tierra y Punta de Mulas. (Fuente: Ral Novo).

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En la prctica meteorolgica tradicional se llama direccin del viento al punto del horizonte de donde viene el viento, por ser ste el punto hacia donde seala la veleta. Desde hace muchos aos esta variable se suele referir al punto ms prximo de la rosa nutica, aunque en la actualidad dicha prctica ha sido sustituida por el acimut. El flujo del aire est sujeto a innumerables perturbaciones producidas por el rozamiento con el suelo y por la existencia de los muchos obstculos que se le presentan. De aqu resulta la rafagosidad o fluctuacin desordenada, tanto de la velocidad como de la direccin del viento. Se denomina racha o rfaga a un brusco incremento en la velocidad del viento, de breve duracin, generalmente unos segundos. Tal evento posee una gran importancia en la Meteorologa, pues el viento es una sucesin de rachas, asociadas con cambios de direccin igualmente rpidos, que pueden llegar a los 30. Por tanto, la velocidad media del viento en un perodo es la media resultante de muchas rachas y calmas, y su uso en Meteorologa tiene el objetivo de disminuir los efectos del movimiento desordenado del aire. El tiempo de muestreo puede variar segn el objetivo de la medicin. En la prctica meteorolgica se ha convenido en que dicho perodo sea de diez minutos en las mediciones sistemticas del viento. Sin embargo, cuando se hace referencia al viento mximo de los huracanes se utiliza el intervalo de un minuto, mientras que con fines aeronuticos lo usual es usar un intervalo de muestreo de dos minutos. En las mediciones del viento relacionadas con la energa elica tambin se toman intervalos de muestreo pequeos, para poder determinar mejor las caractersticas del viento. Con el objetivo de eliminar en lo posible los efectos producidos por el rozamiento del suelo, incluso sobre el viento medio, los instrumentos que miden la velocidad y la direccin del viento, los anemmetros y las veletas, se ubican a una altura estndar de 10 m sobre una porcin plana y despejada del suelo. As,


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los valores de velocidad del viento que se brindan en los informes meteorolgicos han sido medidos a esa altura en las estaciones meteorolgicas. En la figura 2.3 se muestra una estacin meteorolgica tpica, dotada de un anemmetro y una veleta situados sobre el mstil estndar de 10 m de altura (Fig. 2.4). El viento, referido a la citada altura, se califica de viento en superficie o viento junto al suelo.

Fig. 2.3. Estacin meteorolgica tpica. Fig. 2.4. Mstil anemomtrico de 10 m de altura.

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Los anemmetros rotativos poseen rotores que el viento hace girar a una frecuencia proporcional a la velocidad del viento perpendicular a su eje. En la figura 2.5 se muestra un aparato de este tipo llamado anemmetro de copas. La direccin de donde sopla el viento se determina por medio de veletas, como la que se muestra en la figura 2.6.

Fig. 2.5. Anemmetro de copas. Fig. 2.6. Veleta.

Una limitacin de estos instrumentos es la inercia de sus piezas mviles, que retarda su reaccin ante los cambios rpidos en la velocidad o direccin del viento. Otra limitacin radica en que solo pueden realizar mediciones bidimensionales del viento, aunque ello es suficiente para la mayora de las investigaciones, en las que solo interesa la velocidad horizontal. Los anemmetros ultrasnicos miden la velocidad del viento a partir de la velocidad de propagacin del sonido en el flujo de aire que pasa entre sus emisores y sensores. Son insensibles al polvo, la contaminacin y la lluvia. Carecen de partes mviles y por tanto de inercia, y pueden medir simultneamente la velocidad y la direccin de donde sopla el viento. Adems, estos instrumentos pueden a la vez actuar como termmetros sin inercia para determinar la temperatura del aire. En cambio, son difciles de calibrar y consumen ms energa elctrica para su operacin. En la figura 2.7 se muestra un anemmetro ultrasnico bidimensional para medir la velocidad horizon-


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tal del viento. Existen versiones tridimensionales que pueden medir tanto la velocidad horizontal como la vertical.

Las seales elctricas producidas por los sensores de los anemmetros y las veletas se pueden mostrar en indicadores analgicos o digitales, para su lectura por el observador meteorolgico, con periodicidad de una a tres horas. Si las mediciones son muy frecuentes, tal como lo requieren los estudios de la energa elica, se utiliza un registrador de datos (data logger, en ingls), como el de la figura 2.8, que conserva en su memoria las lecturas automticas de varios das, hasta su recogida y envo manual o por teletransmisin a centros de coleccin, registro y anlisis definitivos. La velocidad del viento tiende a incrementarse a medida que aumenta la altura sobre el suelo. Esto se debe a que el viento a baja altura roza con el terreno, con su vegetacin, con los edificios y otros obstculos, lo cual reduce su velocidad. Por otro lado, el gran dimetro de los rotores de los potentes aerogeneradores modernos obliga a situar sus ejes de rotacin a decenas de metros de altura sobre el suelo. Por tanto, los vientos medidos tradicionalmente a 10 m de altura no son los que las palas de un aerogenerador van a encontrar en la mayor parte de su ciclo de rotacin.

Fig. 2.7. Anemmetro ultrasnico bidimensional. Fig. 2.8. Uno de los registradores de datos utilizados en la prospeccin elica cubana actual. (Fuente: Guillermo Leiva).

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Fig. 2.9. Perfil de velocidad del viento v con respecto a la altura sobre el suelo z, en un terreno liso y llano.

En la figura 2.9 se muestra esquemticamente cmo vara la velocidad del viento v con la altura respecto al suelo z, en un terreno liso y llano. A ras del suelo la velocidad del viento es prcticamente nula, va aumentando con la altura relativamente rpido primero, y ms lentamente despus. Si el terreno presenta vegetacin, obstculos naturales u obras civiles, el perfil se hace mucho ms complicado, pues esos objetos perturban el flujo del aire, lo que reduce la velocidad del viento tanto delante como detrs de ellos. En una primera aproximacin, la velocidad del viento a una altura z, medida en metros sobre el suelo, puede estimarse mediante la frmula (2.1). vZ = vS (z / 10)1/7 (2.1)

Fig. 2.10. Mstil anemomtrico intalado en Pinares de Mayar, en la provincia de Holgun. (Fuente: Guillermo Leiva).

Donde: vs: Velocidad estndar del viento, medida a una altura de 10 m. Esta frmula se conoce en el mundo de la energa elica como la Ley de la Potencia Sptima. Segn esta Ley, la velocidad del viento a 50 m del suelo es 26% mayor que a 10 m, en tanto que a 100 m resulta ser 39% mayor. Pero estas estimaciones solo resultan tiles para los estudios preliminares del potencial elico. Los estudios detallados del viento, que necesariamente son la primera fase de todo proyecto de parque elico, requieren de la medicin del viento en el sitio evaluado durante un perodo no menor de un ao, al menos en dos alturas: 1/2 y 2/3 de la altura del buje, para luego extrapolar a la altura del buje. Lo mejor es utilizar grandes mstiles anemomtricos de entre 50 y 100 m de altura, como el mostrado en la figura 2.10, de modo que alcancen e incluso superen la altura del buje. En estos mstiles se instalan anemmetros y veletas en las distintas alturas donde se desee medir el viento, y sus mediciones se almacenan en un registrador de datos con memoria suficiente para conservar la informacin recogida durante muchos das, hasta su recogida por los destinatarios definitivos o la transmisin a ellos.


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Hace algunos aos apareci el SODAR (Sound Detection and Ranking, o sea, deteccin y seguimiento snicos), mtodo para la medicin remota de la velocidad del viento desde el suelo. Opera transmitiendo series de pulsos breves de sonido de gran intensidad, que son reflejados por la turbulencia de pequea escala que siempre existe en la atmsfera, y captados de vuelta por receptores situados junto a los transmisores. Debido al llamado efecto Doppler, el sonido captado por el receptor tiene una frecuencia ligeramente distinta a la del transmisor y la diferencia se debe a la velocidad del viento. Al procesar las diferencias entre las frecuencias de las seales emitidas y recibidas, el SODAR puede medir con precisin la velocidad del viento en tres dimensiones. Los sistemas SODAR actuales pueden medir en tiempo real la velocidad de vientos de hasta 25 m/s, con un error inferior a 0,8%, a alturas entre 50 y 900 m del suelo, con el tiempo de muestreo estndar de 10 minutos. El alcance del SODAR se reduce sensiblemente cuando la temperatura es alta y la humedad relativa baja, tal como ocurre en los desiertos. Adems, no debe instalarse cerca de estructuras o vegetacin porque emiten ecos fijos que perturban el sistema. Hasta el momento, el SODAR no ha encontrado una aplicacin extendida en la determinacin del potencial elico.

2.2. La turbulenciaLa turbulencia, sinnimo de cambios rpidos en la direccin y velocidad del viento, se manifiesta por los remolinos surgidos al pasar el viento sobre obstculos naturales o artificiales. A los efectos de la energa elica, es un fenmeno indeseable que reduce la produccin de electricidad y la vida til de los aerogeneradores. Por eso es importante disponer de conocimientos bsicos sobre la turbulencia, a fin de determinar cmo se pueden disminuir sus efectos negativos. La turbulencia se relaciona con los cambios bruscos, caticos y desordenados de la velocidad y la di-

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Fig. 2.11. rea de turbulencia alrededor de un edificio. Fig. 2.12. rea de turbulencia alrededor de rboles.

reccin del viento, asociados con el flujo de aire alrededor de obstculos. Por tanto, en la seleccin del sitio de emplazamiento de aerogeneradores, un elemento que se debe tener en cuenta es el nivel de turbulencia. El objetivo central en la seleccin del emplazamiento de un aerogenerador es maximizar la captacin de energa, para reducir el costo de la electricidad producida y garantizar las mejores condiciones de explotacin. Un emplazamiento ptimo debe presentar: Elevada velocidad media del viento. Buena exposicin, sin obstculos, al flujo de aire. Variaciones diurnas y estacionales moderadas de la velocidad del viento. Niveles aceptables de turbulencia y de vientos extremos. Para mantener la turbulencia en niveles aceptables se toman las medidas siguientes: Los aerogeneradores deben estar alejados de edificios, rboles y otras obstrucciones, que producen amplias zonas de turbulencia (Figs. 2.11 y 2.12). La torre del aerogenerador debe ser ms alta que los obstculos a su alrededor o aprovechar alguna elevacin del terreno para lograrlo. El rotor del aerogenerador debe quedar expuesto al viento en todas direcciones, sobre todo a los vientos predominantes.


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Una regla prctica general que se puede seguir a la hora de decidir el sitio exacto de la instalacin es la siguiente: el buje de la turbina elica debe estar al menos 10 m por encima de cualquier obstculo que se encuentre en un radio de 100 m.

2.2.1. El experimento de ReynoldsLa turbulencia es un fenmeno que aparece frecuentemente en la mayora de los flujos que existen en la naturaleza y resulta de gran inters. Turbulentos son en menor o mayor medida los movimientos del aire atmosfrico, de las aguas en los ocanos y los flujos en tuberas y canales, entre otros. La turbulencia es, por tanto, un fenmeno mltiple y universal. Cientficamente la turbulencia comenz a estudiarse apenas en el siglo XIX. Experimentando con el movimiento de lquidos en tubos de seccin circular, el alemn Hagen comprob en 1839 la existencia de dos tipos de flujo, en dependencia de la velocidad y la viscosidad del fluido. En 1883, a partir de un experimento ms perfeccionado, el ingls Reynolds desarroll el criterio numrico de la turbulencia que lleva su nombre. El trmino flujo turbulento fue introducido por el ingls Lord Kelvin en 1887. Para comprender el concepto de turbulencia es til y necesario remitirse al experimento de Reynolds (Fig. 2.13). Un tubo de vidrio de entrada abocinada termina en una vlvula de abertura regulable. El tubo se alimenta de un depsito de agua que se mantiene a nivel constante. Al abrir ms o menos la vlvula, la velocidad del agua en el tubo aumenta o disminuye. En la entrada del tubo de vidrio se inyecta un delgado chorro de colorante proveniente de un depsito independiente. Si la vlvula se abre muy poco (Fig. 2.13a), la velocidad del agua es pequea y su corriente es tan ordenada laminar que el delgado chorro de colorante fluye en lnea recta a lo largo del tubo. Si la vlvula se abre ms (Fig. 2.13b), se empiezan a crear remolinos junto a la vlvula y se propaga la turbulencia aguas arriba a medida que la velocidad del agua aumenta. Si la vlvula se abre an ms (Fig. 2.13c),

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Fig. 2.13. Experimento de Reynolds.

la corriente de agua resulta tan desordenada turbulenta que el colorante se mezcla completamente con el agua y forma una vena lquida nica. El experimento puede repetirse con tuberas de diferentes dimetros y con distintos fluidos. Se observa entonces que el trnsito del flujo laminar al turbulento no depende de la velocidad del fluido, que es diferente en cada caso, sino del nmero de Reynolds Re, definido en este caso por la frmula (2.2). Re = V d / (2.2)

Donde: V: Velocidad media del fluido dentro del tubo, en m/s. d: Dimetro interior del tubo, en m. : Viscosidad cinemtica del fluido, en m2/s. El paso del rgimen laminar al turbulento ocurre cuando el nmero de Reynolds supera un valor crtico, que en el experimento de Reynolds es de 2 000, aproximadamente. Para un perfil de ala, como los utilizados en las palas de las turbinas elicas, el valor crtico est entre uno y diez millones. Como la viscosidad del aire es tan pequea, el valor del nmero de Reynolds es muy alto y por ello la mayora de los flujos atmosfricos son turbulentos.

2.2.2. La turbulencia atmosfricaEl flujo turbulento es, por tanto, un flujo desordenado y catico en el cual las partculas del fluido no solo se


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mueven en la direccin principal del flujo, sino tambin en direcciones transversales. Las palas de una turbina elica sometida a un flujo excesivamente turbulento reciben viento de magnitud y direccin caticamente variable que produce un deterioro adicional por fatiga en los componentes mecnicos y fluctuaciones en la potencia que deterioran la calidad de la energa elctrica producida. La turbulencia disipa parte de la energa cintica del flujo y la convierte en energa trmica por la creacin y destruccin continua de pequeos remolinos. Un flujo turbulento puede tener una velocidad media constante rgimen permanente en perodos largos, de una hora o ms; pero en perodos cortos, de minutos o segundos, la velocidad es variable. En el rgimen turbulento la velocidad en cada punto tiene componentes u, v y w en los ejes x, y y z, que varan en funcin del tiempo t y de la altura z. En la figura 2.14 se representa lo que podra ser una observacin microscpica de la componente v.

Fig. 2.14. Componente v de la velocidad de una partcula de fluido turbulento en funcin del tiempo.

En el rgimen turbulento permanente la velocidad instantnea v(t) es funcin del tiempo, pero la velocidad media temporal V es constante. En el caso del viento, la turbulencia atmosfrica posee tambin tres componentes: longitudinal, lateral y vertical. La componente lateral es designada por u (z, t); la longitudinal, correspondiente a la direccin prevaleciente del viento, por v (z, t); y la vertical w (z, t). Cada componente posee una velocidad media temporal con una

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velocidad fluctuante superpuesta. Por ejemplo, en la direccin longitudinal se expresa por la frmula (2.3). v = V + v(t) (2.3)

Donde: v: Velocidad instantnea del viento en la direccin longitudinal. Las componentes lateral y vertical pueden ser descompuestas de forma similar en una velocidad media y otra fluctuante, pero tienen un menor inters prctico.

2.2.3. La intensidad de la turbulenciaLa forma ms comn de expresar la turbulencia es mediante la magnitud denominada intensidad de la turbulencia I, definida como la relacin entre la desviacin tpica (estndar) de la velocidad del viento y la velocidad media temporal del viento en ese perodo, segn la frmula (2.4). IV = /V (2.4)

Donde: : Desviacin tpica o estndar de la velocidad del viento, en m/s. V: Velocidad media del viento, en m/s, en el mismo tiempo y a la misma altura. Tanto la velocidad media como la desviacin tpica son calculadas para un perodo mayor que el de las fluctuaciones de la turbulencia, pero ms corto que los perodos asociados con otros tipos de variaciones de la velocidad del viento, tales como los diurnos. Este perodo no es mayor que una hora y en la ingeniera elica se ha convenido en tomarlo igual a 10 minutos. La intensidad de la turbulencia del viento se encuentra normalmente entre 0,1 y 0,4. En general, la ms alta intensidad de turbulencia ocurre cerca de la superficie terrestre, donde el viento est en contacto directo con las rugosidades del terreno. La figura 2.15 muestra un ejemplo de las fluctuaciones de la velocidad del viento, medida cada 8 se-


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gundos, durante 10 minutos. Despus de procesar estadsticamente estos datos se determin que la velocidad media es 10,2 m/s y la desviacin tpica es 1,63 m/s. Por tanto, la intensidad de la turbulencia del viento, en ese perodo de 10 minutos, ser 1,63/10,2 = 0,16.

Fig. 2.15. Ejemplo de fluctuaciones de la velocidad del viento.

2.2.4. Turbulencia y clases de aerogeneradores segn la IECLa Comisin Electrotcnica Internacional (IEC, en ingls) define, en su norma IEC 61400-1, cuatro clases de aerogeneradores, segn su aptitud para resistir sin deterioro excesivo la accin mecnica del viento. Los aerogeneradores de la clase I son los ms resistentes, mientras que los aerogeneradores de la clase IV son los menos resistentes. Se supone que estas clases abarquen la mayora de las condiciones de viento a las que se sometern en la prctica los aerogeneradores, y por tanto sirven como referencia para disear aerogeneradores capaces de enfrentarlas sin sufrir fallos durante una vida til de no menos de 20 aos. Las condiciones de viento tolerables para los aerogeneradores, segn la norma IEC 61400-1, se presentan en la segunda y tercera filas de la tabla 2.1. Cada clase se caracteriza en primer trmino por dos parmetros: 1. La velocidad de referencia, definida como la velocidad extrema del viento sostenida durante un perodo de 10 minutos, que puede ocurrir estadsticamente cada 50 aos. 2. La velocidad media anual del viento.

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Adems, la norma IEC 61400-1 establece que cada clase se presenta en dos categoras: A y B, segn la intensidad de la turbulencia que puede soportar el aerogenerador. Los aerogeneradores de la categora A pueden soportar una turbulencia mayor, en tanto que los de la categora B pueden soportar una menor. La turbulencia tolerable para cada categora de aerogeneradores se expresa por la intensidad de la turbulencia media anual I15, referida a una velocidad media anual del viento igual a 15 m/s, a la altura del buje del aerogenerador (Tabla 2.1). Esta norma establece que un aerogenerador de la categora A tolera una intensidad de turbulencia I15 de hasta 0,18, mientras que un aerogenerador de la categora B tolera una intensidad de turbulencia I15 de hasta 0,16.Tabla 2.1. Condiciones de viento gn la norma IEC 61400-1 Clase de aerogenerador I Vref, m/s 50 Vmedia, m/s 10 Categora A I15 a Categora B I15 a tolerables para los aerogeneradores, seII 42,5 8,5 0,18 2 0,16 3 III 37,5 7,5 IV 30 6 S Se define por el diseador

Para dejar espacio a condiciones especiales de viento, la norma IEC 61400-1 ha previsto una quinta clase de aerogenerador, la S, cuyos parmetros de velocidad de referencia, velocidad media e intensidad de turbulencia del viento se definen por el diseador (ver Tabla 2.1). El modelo normal de turbulencia (Normal Turbulence Model, en ingls) utilizado en la propia norma, establece que la desviacin estndar de la componente longitudinal de la velocidad del viento cumple la relacin de la frmula (2.5). = I15 15 + aV a+1 (2.5)

Donde: y V tienen que estar dadas en m/s, y a e I15 son adimensionales.


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Sustituyendo la frmula (2.4) en la (2.5) y efectuando algunas operaciones algebraicas, se puede llegar a la frmula (2.6). I15 = IV a + 1 a + (15 / V) (2.6)

Puesto que no siempre se cuenta con la intensidad de la turbulencia I15 medida a una velocidad de 15 m/s, la frmula (2.6) permite obtener I15 a partir de la intensidad de turbulencia IV, relativa a la velocidad media anual a la altura del buje V. En la propia frmula (2.6) el valor del parmetro a se toma de la tabla 2.1, en funcin de la categora del aerogenerador. La norma IEC 61400-1 especifica que la intensidad de la turbulencia se calcula segn nomogramas que equivalen a las frmulas definidas anteriormente y establece la intensidad de la turbulencia del viento que puede soportar un aerogenerador segn su categora. El valor calculado de I15, segn la frmula (2.6) para el sitio, debe ser menor que el especificado por la norma. A modo de ejemplo, sea un sitio con las caractersticas siguientes: velocidad media anual del viento a la altura del buje V = 7,00 m/s y desviacin estndar de la velocidad del viento = 1,55 m/s, determinar la categora del aerogenerador apropiada para el sitio: La intensidad de la turbulencia, calculada con la frmula (2.4) a partir de los datos arriba mencionados, resulta ser IV = 0,221. Para un aerogenerador de categora B, la tabla 2.1 da a = 3. Sustituyendo valores en la frmula (2.6) se obtiene I15 = 0,172. Este valor es mayor que el lmite dado en la tabla 2.1, igual a 0,16. Por tanto, no es apropiado para el sitio considerado un aerogenerador de categora B porque el nivel de la intensidad de turbulencia supera lo permisible para esa categora. Para un aerogenerador de categora A, la tabla 2.1 da a = 2.

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Sustituyendo valores en la frmula (2.6) se obtiene I15 = 0,160. Este valor es menor que el lmite dado en la tabla 2.1, igual a 0,18. Por tanto, un aerogenerador de categora A es apropiado para el sitio considerado porque el nivel de la intensidad de turbulencia es permisible para esa categora.

2.3. Energa y potencia del vientoEn Meteorologa existe desde hace mucho tiempo la escala de Beaufort, que va del 0 al 12, para la estimacin subjetiva de la fuerza de los vientos a partir de sus efectos observables a simple vista en tierra, en el mar abierto o en la costa. Los efectos observables del viento en tierra, establecidos por la escala de Beaufort, se exponen en la tabla 2.2. En la misma tabla se dan los valores correspondientes de velocidad media vs del viento a una altura de 10 m.Tabla 2.2. Fuerza del viento segn Fuerza del viento, Beaufort Grado Trmino descriptivo 0 Calma 1 Aire ligero la escala de Beaufort, con la velocidad correspondiente Efectos observables del viento en tierra vs, m/s

El humo se eleva verticalmente. < 0,20 El humo se inclina, pero la veleta no se mueve. 0,3-1,5 2 Brisa ligera El rostro percibe el roce del viento y susurra el follaje. 1,6-3,3 3 Brisa suave El follaje se agita y ondean las banderas ligeras. 3,4-5,4 4 Brisa moderada Oscilan las ramas y vuelan el polvo y los papeles sueltos. 5,5-7,9 5 Brisa fresca Comienzan a oscilar las copas de los rboles pequeos. 8,0-10,7 6 Brisa fuerte Oscilan las ramas gruesas y silba el tendido elctrico. 10,8-13,8 7 Cuasi galerna Oscilan todos los rboles y es incmodo caminar frente al viento. 13,9-17,1 8 Galerna Se quiebran ramas de los rboles y casi no se puede caminar. 17,2-20,7 9 Galerna severa Vuelan tejas y caen tubos de chimeneas y desages. 20,8-24,4 10 Tormenta rboles arrancados de raz y dao estructural considerable. 24,5-28,4 11 Tormenta violenta Estragos generalizados. 28,5-32,6 12 Huracn Estragos catastrficos. > 32,7 Nota: Aqu se dan las traducciones directas de los trminos descriptivos en ingls aprobados por la Organizacin Meteorolgica Mundial, aunque existen otras versiones de esos trminos en espaol.


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En su forma original, esta escala fue creada en 1805 por Francis Beaufort, quien llegara a ser almirante de la armada inglesa. En 1850 se adapt para su aplicacin no naval y se le introdujeron grados numricos del cero al doce, estandarizados en 1923 por George Simpson, entonces Director de la Oficina Meteorolgica del Reino Unido. Las modificaciones ms recientes se realizaron en 1944 para incluir toda la gama de velocidades de los vientos de los ciclones tropicales. En su forma actual, la escala de Beaufort es reconocida por la Organizacin Meteorolgica Mundial (WMO), se extiende hasta el grado 17 y la velocidad media del viento est dada a una altura de 10 m del suelo en funcin de la fuerza Beaufort del viento, que se determina por la frmula (2.7). vs = 0,837 B1,5 (2.7)

Donde: B: Fuerza del viento, en grados Beaufort. Adems, la escala de Beaufort es compatible con la escala Saffir-Simpson para medir la fuerza de los huracanes, de modo que las categoras del 1 al 5 de la escala Saffir-Simpson coinciden con los grados del 12 al 16 de la escala de Beaufort. Esta escala se usa por los servicios meteorolgicos del Reino Unido, China y los Estados Unidos, y por ella estn graduados muchos anemmetros. Todo cuerpo en movimiento posee cierta cantidad de energa cintica, una de las formas de la energa mecnica. La masa de viento m que entra por una ventana abierta, con un rea de abertura A perpendicular al viento durante un intervalo t se puede calcular con la frmula (2.8). m = Atv (2.8)

Donde: : Densidad del aire, aproximadamente igual a 1,225 kg/m3, al nivel del mar. La energa cintica del viento que ha pasado a travs de la ventana se calcula mediante la frmula (2.9).

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E = mv2

(2.9)

Sustituyendo la frmula (2.8) en la (2.9) se obtiene la nueva frmula (2.10). E = Atv3 (2.10)

La potencia P del viento que pasa por la ventana abierta es igual a la energa que fluye por la ventana en la unidad de tiempo. O sea, la potencia P se determina mediante la frmula (2.11). P=E/t (2.11)

La potencia que pasa por cada metro cuadrado de abertura de la ventana perpendicular al viento, o sea, la densidad de la potencia del viento se puede calcular entonces con la frmula (2.12). = v3 (2.12)

Es decir, la densidad de potencia del viento es proporcional a su velocidad elevada al cubo. La densidad de potencia expresa la capacidad del viento para hacer funcionar los aerogeneradores. Por ello la densidad de potencia se utiliza frecuentemente en los documentos tcnicos de todo tipo relativos a la energa elica. Si la velocidad del viento fuese constante, para calcular su densidad de potencia bastara con aplicar la frmula (2.12). Sin embargo, se sabe que la velocidad del viento ms representativa es la velocidad media v medida en un intervalo de muestreo determinado. Resulta natural buscar entonces la densidad de potencia media correspondiente . Pero, por definicin, la densidad de potencia media se calcula a partir del valor medio de la velocidad del viento al cubo, mediante la frmula (2.13). = v3 (2.13)

Es muy importante comprender que el valor medio de la velocidad del viento al cubo no es igual a la velocidad media del viento al cubo.


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Para estimaciones preliminares es posible considerar que los valores instantneos de la velocidad del viento se presentan en el tiempo con una frecuencia semejante a la prevista por la llamada distribucin de Rayleigh, segn la cual el valor medio de la velocidad del viento al cubo puede calcularse a partir de la velocidad media del viento al cubo, mediante la frmula (2.14). v3 = 1,91v3 (2.14)

Sustituyendo la frmula (2.14) en la (2.13) se obtiene finalmente la frmula (2.15). = 0,955 v3 (2.15)

Esta es una frmula muy conveniente para la estimacin de la densidad de potencia elica del viento a partir de su velocidad media, cuando se carece de mediciones detalladas de la velocidad del viento. En la tabla 2.3 se exponen los valores de densidad de potencia del viento, correspondientes a las velocidades medias durante 10 minutos en la escala de Beaufort a 10 m del suelo, extrapolados a 50 m, y los efectos de estos ltimos sobre el funcionamiento de los aerogeneradores actuales.Tabla 2.3. Fuerza, velocidad, densidad de potencia del viento y sus efectos sobre los aerogeneradores Fuerza z = 10 m z = 50 m Efecto sobre del viento, el funcionamiento Beaufort de los aerogeneradores actuales Grado Trmino descriptivo vS, m/s , W/m2 v, m/s , W/m2 0 Calma < 0,20 < 0,0094 < 0,25 < 0,018 Ninguno 1 Aire ligero 0,837 0,686 1,05 1,35 Ninguno 2 Brisa ligera 2,37 15,6 2,98 31,0 Deficiente 3 Brisa suave 4,35 96,3 5,47 191 Aceptable 4 Brisa moderada 6,70 352 8,43 701 Bueno 5 Brisa fresca 9,36 959 11,8 1 920 Muy bueno 6 Brisa fuerte 12,3 2 180 15,5 4 360 Excelente 7 Cuasi galerna 15,5 4 360 19,5 8 670 Admisible 8 Galerna 18,9 7 900 23,8 15 800 Lmite mximo admisible 9 Galerna severa 22,6 13 500 28,4 26 800 Inadmisible 10 Tormenta 26,5 21 800 33,3 43 200 Inadmisible 11 Tormenta violenta 30,5 33 200 38,4 66 200 Inadmisible 12 Huracn 34,8 49 300 43,8 98 300 Inadmisible

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Como se observa en la tabla 2.3, la calma y el aire ligero no ejercen ningn efecto de inters en los aerogeneradores y la brisa ligera los hace rotar, pero casi sin generar electricidad. Una brisa suave provoca la generacin de una moderada cantidad de electricidad, no mayor de 10% del valor nominal. Una brisa moderada genera cantidades importantes de electricidad, y con una brisa fresca o fuerte el aerogenerador alcanza su potencia nominal. Los vientos de cuasi galerna son admisibles para los aerogeneradores, pero no conllevan una mayor generacin de electricidad que la lograda con las brisas frescas o fuertes. Un viento de galerna es lo mximo que soporta un aerogenerador en condicin operacional, y ya en el lmite superior de esta categora se produce la desconexin de los aerogeneradores de la lnea y su paso a la configuracin adecuada para resistir vientos superiores. Finalmente, los vientos de galerna severa y superiores son inadmisibles para la operacin del aerogenerador, y podrn ser soportados en dependencia de la resistencia a vientos extremos prevista en su diseo y construccin. En correspondencia con su carcter universal, la escala de Beaufort cubre con 17 grados todos los vientos posibles, desde la calma hasta los huracanes ms poderosos. Pero, en la misma escala, los valores de densidad de potencia de inters para la generacin de electricidad elica quedan desigualmente espaciados, tal como se puede apreciar en la tabla 2.3. Estos valores forman una progresin subgeomtrica; es decir, cada valor de la progresin es igual al anterior multiplicado por un nmero, cuyo valor va decreciendo. Para superar este inconveniente se han elaborado escalas de clasificacin de la densidad de potencia del viento, tiles para evaluar en la prctica el potencial elico de sitios, regiones o pases. En estas escalas de clasificacin los valores de la densidad de potencia se encuentran igualmente espaciados. Aproximadamente estos valores forman una progresin aritmtica; es decir, cada valor es igual al anterior sumado con un nmero constante.


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Un ejemplo concreto se expone en la tabla 2.4, que contiene la escala de clasificacin del recurso elico elaborada por el Laboratorio Nacional de Energa Renovable (NREL, en ingls), de los Estados Unidos. Obsrvese que para esta clasificacin se toman los valores medios anuales de densidad de energa y velocidad, a 10 y 50 m de altura. Tambin existe la escala de clasificacin del recurso elico desarrollada por el Laboratorio Nacional Risoe, de Dinamarca, que aparece ms adelante en la figura 2.34, junto al mapa elico de Dinamarca.Tabla 2.4. Escala NREL de clasificacin de la densidad de potencia elica Valores medios anuales Valores medios anuales Clasificacin a 10 m de altura a 50 m de altura de la densidad de potencia elica de potencia , W/m2 vS, m/s , W/m2 v, m/s elica 0 - 100 0-4,4 0-200 0-5,6 1 100-150 4,4-5,1 200-300 5,6-6,4 2 150-200 5,1-5,6 300-400 6,4-7,0 3 200-250 5,6-6,0 400-500 7,0-7,5 4 250-300 6,0-6,4 500-600 7,5-8,0 5 300-400 6,4-7,0 600-800 8,0-8,8 6 400-1 000 7,0-9,4 800-2 000 8,8-11,9 7

2.4. Los vientos en el mundo y en CubaLa causa principal de los vientos a escala mundial es el calentamiento desigual del aire y la superficie terrestre por las radiaciones solares de onda corta, debido a la forma esferoidal del planeta segn se observa en la figura 2.16. En las zonas cercanas al ecuadorFig. 2.16. Incidencia de la radiacin solar sobre la Tierra, segn la latitud.

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la radiacin solar incide casi verticalmente, por lo que es absorbida en gran medida por la atmsfera y la tierra, provocando su calentamiento. En las zonas cercanas a los polos el pequeo ngulo de incidencia de las radiaciones solares provoca que una buena parte de ella sea reflejada de vuelta al espacio por la atmsfera y la tierra, que por ello se calientan muy poco. La zona limitada entre los 40 de latitud norte y los 40 de latitud sur recibe una mayor cantidad de radiacin proveniente del Sol que la emitida por ella mientras que los casquetes polares emiten ms de la que reciben. Como la temperatura media anual de cada punto de la superficie terrestre permanece casi constante dentro de un margen de variacin limitado, existe un mecanismo de escala global capaz de transportar el calor desde la zona ecuatorial hacia los polos y evitar as la ocurrencia de un excesivo calentamiento de las bajas latitudes y un permanente enfriamiento de las altas. Este mecanismo est compuesto por la circulacin ocenica y la circulacin general de la atmsfera. En la zona del ecuador se forma una zona de baja presin, mientras que hacia los polos se forman zonas de alta presin. El aire fro de los polos se mueve hacia el ecuador en un flujo a baja altura por su mayor densidad, mientras que el aire caliente del ecuador resulta desplazado hacia los polos, fluyendo a gran altura, por su menor densidad. Si la Tierra fuese un planeta de superficie lisa y que no rotara sobre su eje, la circulacin atmosfrica planetaria sera semejante a la ilustrada en la figura 2.17. Puesto que el aire fro desciende y el aire caliente asciende por efecto de un fenmeno fsico llamado conveccin, la celda que forman los flujos de aire fro y caliente recibe el nombre de celda convectiva. Pero la Tierra rota sobre su eje, de manera que su superficie tiene una velocidad de Oeste a Este, particularmente alta en las zonas entre los 30 de latitud norte y los 30 de latitud sur, que son las ms distantes de su eje de rotacin. Por tanto, los vientos que se mueven de los polos hacia el ecuador resultan desviados de su curso por la rotacin de la Tierra, sobre

PREGUNTA 2. CMO SE

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