¿Cómo medir la potencialidad del viento?


Por
Conrado Moreno Figueredo*

¿Cómo medir
la potencialidad
del viento?

 


La velocidad de cualquier objeto se expresa en metros por segundo (m/s), el rendimiento cañero se calcula en toneladas de caña por hectárea, el peso de un animal se evalúa en kilogramos, pero, ¿cómo medir la potencialidad del viento? ¿Cómo saber si un sitio es bueno, regular o malo para la instalación de sistemas eólicos de producción de energía? Si logramos responder esta pregunta podremos conocer cuán adecuado, o no, es un sitio para el uso del viento como fuente de energía.

Existe la falsa creencia de que con el valor de la velocidad media del viento basta para dar esta respuesta, pero no olvidemos que la velocidad del viento es variable y caprichosa. Con el mismo valor de velocidad puede un sitio ser excelente, bueno o regular. Es decir, no es suficiente conocer el valor de la velocidad media del viento (anual, mensual o diaria).

Resulta interesante cómo el término «potencialidad» se maneja en los círculos dedicados a evaluar la potencialidad de las fuentes renovables de energía. Está claro que la potencialidad para producir biogás debe ser directamente proporcional a la cantidad de animales que produzcan los desechos, que la potencialidad del Sol está en función de la radiación solar que sentimos, que la potencialidad hidroenergética es proporcional al volumen de agua y la altura a que está acumulada, y que la potencialidad del viento es función de la velocidad del viento, pero ¿cómo evaluar su potencialidad en un lugar o región?

El parámetro más empleado para dar respuesta a esta pregunta es la densidad de potencia. Debido a las grandes variaciones temporales del viento, una forma de evaluar la potencialidad del viento es mediante la potencia media que dispone o contiene el viento por unidad de área expuesta al viento, o la densidad de potencia media en watt por metro cuadrado de área, lo que también se conoce como potencia media específica. Todo esto, relacionado con una altura sobre el nivel del suelo a la que fue referida, pues, como se sabe, la velocidad del viento aumenta cuando aumenta la altura, lo que supone que la densidad de potencia aumenta con la altura.


Potencia del viento

La potencia se define como la rapidez con la cual la energía es empleada o convertida, y puede expresarse como energía por unidad de tiempo, dígase joule por segundo (J/s). La unidad de potencia es el watt (W), que es igual a un joule por segundo; es decir,
1 W = 1 J/s.

La energía que contiene el viento es su propia energía cinética, y la energía cinética de cualquier masa de aire en movimiento, es igual a la mitad de la masa, m, del aire multiplicado por su velocidad, V, al cuadrado:

Energía cinética = mitad de la masa x velocidad al cuadrado = ½ m V2

La potencia de viento, entonces, resulta:

Energía cinética/tiempo = ½ (m/t) V2 = ½ M V2   (1)

Donde:

m: Masa, en kg.
V: Velocidad, en m/s.
M = m/t: Masa que se mueve por unidad de tiempo.

La energía cinética del viento puede calcularse si se supone un volumen de aire pasando a través de un anillo circular, que encierra un área circular A (dígase, 100 m2), a una velocidad V (dígase, 5 m/s) (Fig. 1).

 

Fig. 1. Volumen cilíndrico de aire pasando a velocidad V (10 m/s)
a través de un anillo que contiene un área, A, cada segundo.
 

Cuando el aire se mueve a una velocidad de 5 m/s, un cilindro de aire de 5 m de longitud pasará a través del anillo cada segundo. Por tanto, un volumen de aire igual
a 100 x 5 = 500 metros cúbicos (m3), pasará por el anillo cada segundo. Multiplicando este volumen por la densidad de aire ρ (1,2 kg/m3 a nivel del mar), se obtiene la masa de aire en movimiento a través del anillo cada segundo.

En otras palabras:

Masa (m) de aire por segundo = densidad del aire x volumen de aire que pasa cada segundo = densidad del aire x área x longitud del cilindro de aire que pasa cada segundo = densidad del aire x área x velocidad

Es decir, M = m/t = ρ A V = 1,2 x 100 x 5 = 600 kg/s

Sustituyendo M en (1):

Energía cinética por segundo = ½ ρ A V3, en J/s.

Donde ρ se expresa en kilogramos por metro cúbico; A, en metros cuadrados, y V, en metros por segundo.

La energía por unidad de tiempo es igual a la potencia, por lo que la ecuación anterior expresa la potencia del viento.

Potencia del viento, P (watt) = energía cinética del viento por segundo (J/s)
Es decir, P = ½ r A V3

La conclusión a que se puede llegar de la expresión anterior, es que la potencia es proporcional al área a través de la cual el aire pasa, a la velocidad del aire al cubo y a la densidad del aire.


Densidad de potencia


La densidad de potencia o potencia específica, se define como la potencia por unidad de área, es decir, P/A:

P/A = ½ r V3, en W/m2 (Fig. 2).

 

Fig. 2. Densidad de potencia en función de la velocidad del viento.
 

La curva de la figura 2 muestra que con una velocidad del viento de 10 m/s, la densidad de potencia es de 600 W/m2 del área del rotor expuesta perpendicularmente al viento.

Es bueno aclarar que todo lo anterior se refiere a la potencia disponible del viento, que no es igual a la que puede extraerse de éste, debido a las pérdidas inevitables que tienen lugar durante el proceso de conversión a través del rotor.


Potencialidad del viento en un sitio o región

Acorde a lo anterior, se acostumbra a evaluar la potencialidad del viento en un lugar sobre la base de la potencia específica o densidad de potencia, por cuanto este valor expresa qué cantidad de potencia pasa por cada metro cuadrado de superficie que aporta el viento en dicho lugar. Mientras mayores sean estos valores, mayores serán las posibilidades de ese sitio de producir energía, ya que, como se ha expresado, la potencia es igual a la energía por unidad de tiempo.

La caracterización de una región sobre la base del potencial del viento, se expresa asignando a cada área una clasificación cualitativa, o un número de clase sobre la base del valor de la velocidad media anual del viento y la densidad de potencia disponible media anual, siempre especificando la altura sobre el nivel del mar.

En la tabla 1 se muestra cómo el Atlas de Recursos Energéticos de Estados Unidos denomina las clases en que se pueden clasificar las zonas geográficas, en función de las características del viento. Por su parte, la clasificación empleada en el Mapa Eólico de Europa, elaborado por el Laboratorio Nacional Risoe de Dinamarca, a 10 y 50 m sobre el nivel del mar, se expone en la tabla 2.

Tabla 1. Clasificación de las zonas geográficas en función de las
características del viento, según el Atlas de Recursos Energéticos de Estados Unidos

Tabla 2. Clasificación de las zonas geográficas en función
de las características del viento, según el Mapa Eólico de Europa


La clasificación empleada en el Mapa Eólico de Cuba, a 50 m sobre el nivel del mar, se expone en la tabla 3.

Tabla3. Clasificación de las zonas
geográficas en función de las características
del viento, según el Mapa Eólico de Cuba



En el Mapa Eólico de Mongolia, la clasificación se realiza tal como se presenta en la tabla 4. En este Mapa se diferencia el potencial según sea para sistemas conectados a la red, o para un sistema aislado. Para estos últimos, la clasificación es menos exigente.

Tabla 4. Clasificación de las zonas geográficas
en función de las características del viento,
según el Mapa Eólico de Mongolia



Si la densidad de potencia anual la multiplicamos por el número total de horas del año (8 760 horas), el resultado será la densidad de energía disponible anualmente.

Digamos que en una zona determinada, si la densidad de potencia media anual es de 75 W/m2, la densidad de energía disponible en el año será de 657,0 kWh/m2 por año (75 x 8 760/1 000). Esto expresa que si pudiéramos aprovechar completamente la energía que aporta el viento, obtendríamos 657,0 kWh anuales por cada metro cuadrado de superficie de captación del sistema eólico empleado. A esto se le conoce como metro cuadrado de área de barrido del rotor del aerogenerador.

Como se expuso en el artículo «Estimación de la energía producida por un aerogenerador», publicado en el número 54 de la revista Energía y tú, en realidad el valor de la energía aprovechable que se puede sacar de esta energía disponible es mucho menor, llegándose a un máximo de 59,3% (límite de Betz).

En este caso, lo más real en la práctica es que se llegue sólo a aprovechar entre 20 y 40% de esa energía disponible, esto es, 131 a 263 kWh anuales por metro cuadrado del área de barrido.


Parque eólico Gibara 1

En el caso del sitio donde está enclavado el parque eólico Gibara 1, la velocidad media anual es de 6,6 m/s a 50 m de altura, con una densidad de energía disponible de 2 435 kWh/m2 anuales (Fig. 3).


El área de barrido de un aerogenerador de los allí instalados es de 2 125 m2 (52 m de diámetro de rotor); entonces, la energía que pudiera extraer cada aerogenerador sería:


Fig. 3. Vista del parque eólico Gibara 1, con 52 m de diámetro del rotor en cada una de las seis máquinas.

2 435 kWh/m2 anuales x 2 125 m2 = 5 174 375 kWh anuales = 5,17 GWh anuales.

Esto se cumple si se pudiera aprovechar toda la energía disponible del viento.
Considerando que se puede aprovechar sólo 40% de esa energía, como resultado de la eficiencia total de la máquina y la disponibilidad, entonces la generación anual de cada aerogenerador sería de 2,09 GWh/año, que es lo estimado para ese proyecto eólico cubano.


Comparaciones conclusivas

Cuando se desea evaluar el potencial eólico de un sitio, por lo general se habla de determinar su velocidad media anual. Sin embargo, debido a que la potencia es una función del cubo de la velocidad, los períodos de vientos fuertes contribuyen mucho más a la producción de energía anual que la misma velocidad media. Debido a esto, es necesario conocer la potencia media anual aprovechable en el sitio de emplazamiento, que depende del comportamiento de la velocidad en dicho sitio. Entonces, se puede hablar del potencial eólico evaluado (Fig. 4).

La potencia del viento en sitios diferentes, con la misma velocidad media del viento, ilustra lo expresado anteriormente. En el libro Energía eólica práctica, del autor norteamericano Paul Gipe, se plantea que «si bien un punto de Nueva York puede experimentar la misma velocidad media del viento (6,3 m/s) que en uno de Puerto Rico (6,3 m/s), la isla caribeña se encuentra dentro de los vientos alisios y estos son más constantes.



Fig. 4. Uno de los aerogeneradores del parque eólico de Turiguanó,
junto a la torre de medición del viento.

Estos vientos estables producen menos potencia en el tiempo que en un régimen de viento moderado como el que hay en Nueva York. Los vientos tempestuosos que soplan en San Gorgonio Pass (California) contienen 66% más potencia que los apacibles vientos que barren Puerto Rico». Esto lo ilustra la tabla 5.

Tabla 5. Potencia media aprovechable en diferentes sitios


Como conclusión, se puede expresar que, al evaluar el potencial eólico, no basta con conocer la velocidad media del viento, sino que es necesario conocer también la densidad media de potencia.

* Doctor en Ciencias Técnicas. Profesor Titular del Centro de Estudio de Tecnologías Energéticas Renovables (CETER), La Habana, Cuba.
e-mail: conrado@ceter.cujae.edu.cu