Prospección eólica
en Cuba



Por
Andrés González Barreras*

Una de las piedras angulares
del desarrollo de la energía eólica,
como parte de la Revolución Energética.

 

Con el propósito de solucionar los problemas existentes con la generación y distribución de electricidad, comenzó a mediados de 2005 la Revolución Energética en Cuba. Uno de sus programas fue el fomento de la generación de electricidad mediante fuentes renovables de energía, especialmente la eólica, como contribución a la política de desarrollo sostenible enarbolada por nuestro país. Para estos efectos se creó el Grupo de Ingeniería Eólica en el Grupo Eólico del Ministerio de la Industria Básica (MINBAS), que se encarga de ejecutar todas las tareas referentes al Programa Eólico, adscrito al Grupo de Trabajo para el Impulso de la Energía Eólica, que dirige el Consejo de Estado y que cohesiona a diversos institutos, empresas, entidades y universidades relacionados con el tema.

Apenas unos meses después de proclamada la Revolución Energética, a finales del mismo 2005, se inició una extensa campaña de prospección que actualmente abarca casi todo el territorio nacional. Fueron seleccionadas 32 zonas para una primera etapa, con una elevada concentración en la costa norte oriental, en las que se instalan de forma estratégica alrededor de un centenar de estaciones de prospección en mástiles de 50 m de altura y estaciones meteorológicas de referencia, sobre torres de radiodifusión con
más de 50 m.

Esta tarea la lleva a cabo el Departamento de Prospección del Grupo Eólico del MINBAS, que también se encarga de la explotación y ubicación de nuevas zonas de interés para su estudio posterior, así como de elaborar los proyectos de ingeniería básica de los parques eólicos (actividad conocida como micrositting).

Este Departamento está compuesto por jóvenes ingenieros, geógrafos e informáticos, todos menores de treinta años, que trabajan en estrecha cooperación con el Grupo Eólico de CUBASOLAR y EcoSol Solar, que ya acumula una experiencia de más de quince años en esta actividad.

Es bueno destacar que para la correcta caracterización del potencial eólico de un sitio se necesitan datos de al menos un año, a fin de poder estudiar las variaciones estacionales del viento y poder hacer cálculos y pronósticos confiables de la generacion eléctrica esperada.

Estas mediciones se realizan con los denominados registradores de datos (data logger, en inglés), que son los encargados de almacenar los datos de velocidad captados por anemómetros optoeléctricos de copas (el mismo sistema óptico de los mouse de las PC), y de dirección del viento, utilizando una veleta con potenciómetro; además, se registran datos de temperatura, presión, humedad relativa y radiación en las estaciones que tienen fines meteorológicos. Los datos de velocidad y dirección registrados cada segundo se promedian y almacenan cada diez minutos en una memoria no volátil que no necesita energía para almacenar, lo que garantiza que no se pierdan los datos ante una falta de energía.

Estas estaciones, que cuentan con suministro energético autónomo mediante un panel solar fotovoltaico, tienen la posibilidad de trasmitir los datos usando los canales de datos de la telefonía celular en lugares con cobertura, lo que permite una supervisión remota de las condiciones de la estación y obtener las mediciones sin intervenir directamente en el equipo (Fig. 1). En aquellos lugares de cobertura celular insuficiente hay que bajar los datos manualmente, conectando un ordenador portátil a la estación, mediante un software concebido para estos efectos.


Fig. 1. Lectores de datos instalados en las estaciones meteorológicas.

Una vez obtenidos los datos por el Departamento de Prospección, son revisados, primeramente, en busca de cualquier anomalía que indique que algo anda mal con los instrumentos, los cables, etc. Posteriormente son procesados con el software WindPRO, adquirido por nuestro país para cálculos energéticos de aerogeneradores y diseño de parques eólicos. Este software es muy útil a la hora de realizar un estudio de prefactibilidad de un parque eólico, pues permite optimizar su rendimiento teniendo en cuenta el contenido energético y el rumbo de los vientos, la influencia de la rugosidad, obstáculos y factores topográficos y orográficos, y las características técnicas de los aerogeneradores, por lo que se puede estimar la producción energética del parque y el período de recuperación de la inversión. Una de las facilidades que ofrece este software, entre muchas otras, es la posibilidad de realizar fotomontajes a escala real y geo-referenciados de cómo quedarían los parques proyectados, usando fotos del terreno
(Fig. 2).


Fig. 2. Simulación del futuro parque de Gibara
(modelacion en WindPRO).

El procesamiento de los datos se realiza mensualmente, de forma tal que se pueda conocer, por las entidades competentes, el comportamiento del viento en las zonas de estudio que reporten mediciones.

Este procesamiento consiste en extraer información básica de referencia de los datos «crudos» (row, en inglés) del viento; así se le llaman a los datos tal como llegan directamente de la estación, ya sea por vía celular o descarga manual.

Esta información la componen la velocidad promedio del mes a tres niveles de medición y las velocidades promedio acumuladas en la estación hasta la fecha, lo que permite analizar el comportamiento de este importante factor durante los distintos períodos del año y la distribución de frecuencias de cada rango de velocidades por rumbos. Este promedio se basa en los valores registrados cada diez minutos. También se obtiene la curva de velocidad del viento promedio diaria, o patrón diario del viento, referida a promedios horario de la velocidaddel viento (Fig. 3), la cual es muy útil desde el punto de vista de generación, pues permite conocer los horarios del día con mayor y menor aporte energético del viento, información muy importante a la hora de operar un parque eólico.


Fig. 3. Velocidad horaria promedio en Gibara (dic. 2005-dic. 2006).

El valor aislado de la velocidad promedio no brinda una información completa acerca de qué está sucediendo realmente en un lugar, con respecto a la energía cinética aprovechable del viento. Por ello se construye un histograma de la frecuencia de ocurrencia de las diferentes velocidades, ajustado a la función de densidad de probabilidades de Weibull, que es la función estadística que mejor caracteriza el comportamiento del viento mediante dos parámetros: el factor de escala C y el factor de forma k, los cuales permiten determinar la probabilidad de ocurrencia de valores altos de velocidad, que son los que más energía aportan, y la duración de las calmas (velocidades menores de 4 m/s) (Fig. 4).


Fig. 4. Histograma de Laguna Blanca, Gibara.

También se construye la rosa de los vientos, tanto de frecuencia de velocidades como de energía, que caracteriza la distribución de la velocidad y la energía del viento por sectores o direcciones (en nuestro caso usamos doce sectores), y permite apreciar la dirección predominante del viento en cuanto a frecuencia y energía, que no tienen necesariamente que coincidir siempre (Fig. 5). Aquí vale la pena recordar que la potencia, y por tanto la energía, que se obtiene de una máquina eólica es función directa del cubo de la velocidad del viento, por lo que podemos tener más tiempo el viento soplando de una dirección, pero los valores más altos, que son mucho menos frecuentes, pueden venir de otra y tener más aporte energético en este último caso. Esta información es vital para orientar las filas de aerogeneradores en un parque eólico, con el fin de evitar que se produzcan «sombras aerodinámicas» o pérdida de captación de energía por efectos de turbulencia de la estela del rotor de una máquina sobre el rotor de la vecina.


Fig. 5. Rosa de los vientos de Laguna Blanca, Gibara.

Otro factor que se calcula es el índice de turbulencia (IT). La turbulencia en el viento, como en cualquier fluido, no es más que las variaciones de la velocidad y de dirección del flujo en una escala de tiempo muy pequeña, menos de diez minutos, debido a la influencia de obstáculos en el terreno, edificaciones, bosques, orografía —turbulencia mecánica—, y del calentamiento del suelo, lo que hace que las masas de aire se eleven y desciendan como consecuencia de su calentamiento desigual y, por tanto, de la variación en la densidad —turbulencia térmica. La turbulencia afecta a todos los componentes de las máquinas, desde las palas del rotor hasta la torre, acelerando los procesos de fatiga al aumentar las cargas cíclicas que reciben. El índice de turbulencia se calcula dividiendo la desviación estándar de la velocidad por la velocidad media del viento, y es muy nocivo cuando está por encima de 15-20%.

Durante el procesamiento de datos se calcula también el factor de capacidad de un determinado aerogenerador en el lugar de las mediciones. Este factor da la medida del rendimiento de la máquina en cuestión en un lugar específico, teniéndose en cuenta en este cálculo las características de la máquina: altura del buje, diámetro del rotor y curva de potencia, además de las mediciones del sitio. Permite caracterizar cuánta energía cinética del viento aprovecha un aerogenerador determinado en ese lugar, y se obtiene dividiendo la energía que produciría en un año con los valores reales de distribución de frecuencias del viento, por la energía que produciría en un año a su potencia nominal, o producción ideal de la máquina. Se expresa en tanto por ciento y es una medida de la cantidad de horas al año que trabajaría, teóricamente, a potencia nominal.

El trabajo realizado durante el procesamiento de los datos es de vital importancia para el correcto desarrollo del Programa Eólico, pues mientras más calidad presenten los datos y su procesamiento, más certeros seremos en la predicción del rendimiento energético y económico de la inversión en los parques eólicos. Por esto, podría considerarse la obtención, el almacenamiento y el procesamiento de los datos actuales como una de las piedraa angulares del futuro de la energía eólica en Cuba.


* Ingeniero Mecánico. Miembro del Grupo Eólico del MINBAS.
e-mail: andres@inel.une.cu