Metodología para determinar la viabilidad de generación de energía eléctrica por medio del recurso eólico

Introducción

El uso de las energías renovables para la generación de energía eléctrica ha tenido gran aceptación en el mundo, debido a que ellas permiten una disminución en el uso de combustibles fósiles para la generación de electricidad, lo que representa una disminución en las emisiones de gases contaminantes al medio ambiente producto de su combustión. Además, por ser energías obtenidas de la naturaleza pueden ser implementadas en cualquier lugar donde su aplicación sea favorable. En los lugares que, por su condición geográfica o económica, no se cuenta con este recurso, ello crea la posibilidad de acceder al servicio de energía eléctrica. La energía eólica es la segunda fuente de energía renovable más usada en el mundo, solo superada por la hidroeléctrica ¹; pero es la más usada en la generación de energía eléctrica a baja escala para satisfacer las necesidades de comunidades que no cuentan con el suministro eléctrico. En este sentido, es importante conocer la forma de generar energía eléctrica a partir del aprovechamiento del viento que circula por una determinada zona.

Método

Recolección de datos del viento Para lograr una estimación confiable del comportamiento del recurso eólico en un sector, es necesario contar como mínimo con un total de 8760 datos acerca de la velocidad promedio del viento en dicho lugar. Este valor se obtiene a partir de mediciones tomadas cada 10 minutos y promediando dichos valores para cada hora del día durante todo el año ². Cabe resaltar que en la actualidad los anemómetros promedian la velocidad del viento en cada hora sin tener en cuenta la cantidad de mediciones obtenidas en la misma, y que esto no genera ningún inconveniente. Luego de contar con la serie de datos se determinan las características presentadas por el viento durante el año y se establecen los siguientes parámetros:

Velocidad promedio anual Dirección del viento Variaciones estacionales Variaciones diarias Ráfagas Variación histórica

Cada una de estas características aporta información fundamental para determinar la viabilidad de la generación de electricidad a partir del viento y, si es el caso, la necesidad de implementar otra forma de producción de energía alternativa o un sistema de almacenamiento de la misma.

Función densidad de probabilidad de Weibull

Luego de lo anterior, si se obtiene un resultado positivo es posible determinar la producción de energía anual que se puede obtener a partir del comportamiento del viento en el lugar y las características del aerogenerador a implementar; para ello, se calcula la probabilidad en la que se podría presentar una velocidad determinada por medio de la función de probabilidad de Weibull.

Mediante la mencionada función de probabilidad de Weibull, se plantea la probabilidad de repetición o de aparición de un valor de velocidad para los siguientes años con base en los valores de velocidad obtenidos en el año en análisis.

Perfil de velocidad delviento

Debido a que la altura en que se ubican los anemómetros con los cuales se realizan las mediciones de la velocidad del viento, no coincide con la altura a la cual debe situarse la turbina eólica, se hace necesario establecer la relación que, a su vez, permita relacionar el valor de una velocidad obtenida a una determinada altura con un su valor a una altura superior ^3,4. Esto debe hacerse porque en general las estaciones meteorológicas encargadas de recolectar los datos del viento están a una altura de 10 metros, y para dicha altura los obstáculos circundantes influyen de gran manera sobre el aire que circula, lo que representa una disminución en la cantidad de energía que se puede aprovechar Para esta situación se utiliza la ecuación logarítmica de perfil de velocidad del viento, mediante la cual, al conocer las alturas correspondientes a la ubicación del anemómetro, la turbina eólica y el valor de la velocidad, se estima el valor de velocidad del viento a la altura en la que se desea situar el aerogenerador, teniendo en cuenta las características topográficas del lugar.

En la anterior ecuación, el término z0 se denomina longitud de rugosidad y representa las condiciones del lugar de aplicación.

Tabla 1 Longitud de rugosidad del terreno Longitud de Rugosidad Características del Terreno 0.002 Superficies de agua 0.0024 Terrenos abiertos con superficies lisas 0.03 Terrenos agrícolas sin cercas 0.05 Terrenos agrícolas con casas y arbustos de hasta 8 m de altura separados a 1250m 0.1 Terrenos agrícolas con casas y arbustos de hasta 8 m de altura separados a 500m 0.2 Terrenos agrícolas con casas y arbustos de hasta 8 m de altura separados a 250m 0.4 Pueblos pequeños, terrenos agrícolas con muchos arbustos 0.8 Grandes ciudades con altos edificios 1.6 Grandes ciudades con grandes edificaciones y rascacielos

Características del aerogenerador

Para establecer la energía a generar, se debe seleccionar el equipo que realizará la conversión de energía, analizar la curva de potencia del mismo con el objetivo de conocer las velocidades de operación del dispositivo, y relacionarlo con la distribución de probabilidad de Weibull. Con base en esto se realiza la estimación de la energía que se podría generar ⁵.

Figura 1 Curva de potencia de aerogenerador

Ahora bien, la estimación de la energía a producir se calcula mediante el modelo estático de producción de energía, que consiste en multiplicar la probabilidad de cada velocidad por la cantidad de energía producida por el equipo eólico para la misma ⁶.

Factor de capacidad El factor de capacidad relaciona la energía producida por el equipo eólico durante el periodo de análisis, con la energía que produciría operando bajo las condiciones nominales.

Este factor ayuda a evaluar el uso del aerogenerador seleccionado y determinar si es el adecuado para generar energía con el recurso eólico presente en el lugar seleccionado al establecer un valor mínimo de 0.2 ⁶.

Resultados y discusión

Análisis de datos

Se evaluaron las características del recuso eólico durante cada año y se realizaron los graficas correspondientes.

Figura 2 Velocidad promedio anual.

La velocidad promedio anual es el primer indicio sobre la viabilidad del proyecto

Figura 3 Dirección del viento años 2010-2014

La rosa de los vientos proporciona información sobre la incidencia del viento en el lugar y sobre la disposición del equipo eólico.

Figura 4 Variaciones estacionales

Por otra parte, la evaluación diaria de cada mes permite determinar los meses en los que se presentaría mayor y menor producción de energía.

Figura 5 Variaciones diarias

En tanto que el análisis horario a lo largo del día ayuda a determinar las horas en las que se podría producir mayor y menos energía. Además, indica si es necesario usar elementos de almacenamiento de energía para compensar las horas de menor producción ²

Figura 6 Ráfagas

El conocimiento de los vientos extremos o ráfagas que se presentan a lo largo del periodo en análisis sirve para implementar el uso de elementos de seguridad que protejan el equipo eólico

Figura 7 Variación histórica

Mediante el conocimiento de la variación de la incidencia del viento durante un periodo largo, se compara el comportamiento con el tiempo de análisis y se decide si las condiciones son favorables para le generación de energía eléctrica.

Producción de energía anual

Mediante la probabilidad de Weibull se obtiene la frecuencia de cada intervalo de velocidad para el número total de horas (8760) y esta se multiplica por la cantidad de energía que produce el aerogenerador para cada uno de ellos ⁶, teniendo en cuenta que se inicia con la velocidad de arranque del equipo, que es la velocidad en la cual el equipo eólico comienza a producir energía. La Tabla 2 presenta la estimación de energía producida con el aerogenerador seleccionado, con base en los datos del recurso eólico de los años en análisis (2014).

Tabla 2 Producción anual de energía Intervalo (m/s) Frecuencia (Horas) Potencia instantánea (W) Energía producida WHr 0-1 1475 0 0 1-2 1487 0 0 2-3 1138 0 0 3-4 810 381 308610 4-5 956 766 732296 5-6 827 1340 1108180 6-7 676 2100 1419600 7-8 497 3010 1495970 8-9 437 4000 1748000 9-10 212 5050 1070600 10-11 173 6170 1067410 11-12 54 7200 388800 12-13 16 7840 125440 13-14 3 7980 23940 Total 8760 9488846

En un paso posterior, se calcula el factor de capacidad a partir de la producción anual de energía y las características técnicas del aerogenerador. Dicho factor es determinante en el ámbito económico del proyecto, ya que permite comparar aerogeneradores y determinar cuál se podría aprovechar en mayor medida según las condiciones de operación para las cuales fue diseñado ⁷.

Conclusiones

Se ha planteado una metodología para determinar la viabilidad de generación de energía eléctrica aprovechando la energía cinética del viento por medio de un aerogenerador, tomando en cuenta los datos del recurso eólico en la zona de aplicación y las características de operación de la turbina eólica seleccionada. Con el análisis de los datos proporcionados por la estación meteorológica, se estableció que no es viable la implementación de una estación eólica en dicha zona, pues las velocidades del viento no están en el rango recomendado para este tipo de aplicación, que debe ser superior a 5 m/s ^2,3. Al calcular el factor de capacidad, se obtuvo, en efecto, un resultado inferior a 0.2 lo cual es lógico, ya que se ha determinado que el lugar seleccionado no cuenta con el potencial eólico suficiente para generar energía eléctrica. Pero si esto no fuera así y se presentara la misma situación con el F.C. se tendría que buscar un equipo de menor potencia y evaluar la producción de energía con el nuevo equipo ^7,8,9.

Referencias

1. Rodríguez E. Las fuentes de energía renovables más utilizadas del mundo.Publisher Full Text
2. Pinilla Sepúlveda A. Manual de aplicación de la energía eólica. Uniandes: Santafé de Bogotá; 1997.
3. Manwell J. F, McGowan J. G, Rogers A. L. ind energy explained theory, design and application. John Wiley & Sons Ltd; 2009.
4. Ahmad Hemami. Wind turbine technology. Cengage Learning; 2012.
5. Burton Tony, Sharpe David, Jenkins Nick, Bossanyi Ervin. Wind energy handbook. John Wiley & Sons Ltd; 2001.
6. Nelson Vaughn. Wind energy Renewable, Energy and the Environment. Taylor & Francis Group, LLC; 2009.
7. Schaffarczyk A. Understanding wind power technology. Wiley: Chichester, West Sussex; 2014.
8. Jimeno M, De la Hoz Y, Wilches J. Wireless ECG and PCG Portable Telemedicine Kit for Rural Areas of Colombia. Investigación e Innovación en Ingenierías. 2014; 2DOI
9. Villa F.A, Velasquez J.D, Sanchez P. Control del sobreajuste en redes neuronales tipo cascada correlación aplicado a la predicción de precios de contratos de electricidad. Revista Ingenierías Universidad de Medellín. 2015; 14