¿Cuál molino
de viento instalar?



Por
Conrado Moreno Figueredo*

Una guía para seleccionar
molinos de viento para
el bombeo de agua.

 

La energía eólica es el aire en movimiento, que es una de las formas de la energía solar; es decir, se define como la energía cinética de las masas de aire en movimiento. El movimiento del aire es originado fundamentalmente por el calentamiento desigual de la superficie de la tierra. Si a este efecto se le agrega la rotación del planeta, aparece la circulación global del viento a escala planetaria. Los efectos locales, como las brisas y los terrales provenientes de la diferencia de temperatura entre el mar y la tierra, determinan finalmente el comportamiento del viento a escala local.

Para conocer la potencialidad del viento se necesitan conocer tres variables intrínsecas: su velocidad, su variabilidad temporal y la densidad del aire, en menor magnitud.
La potencia contenida en el viento moviéndose a una velocidad V, y traspasando un área A perpendicular a esta velocidad, es:

P
viento = ½ ñ A V3

Donde:

P
viento: Potencia eólica disponible, en watt
ñ: Densidad del aire (1,2 kg/m
3 a nivel del mar)
A: Área del rotor, en m
2
V: Velocidad del viento, en m/s.

La potencia del viento es proporcional a la velocidad del viento elevada al cubo, algo muy importante para comprender la importancia de dicha velocidad y su papel en la potencialidad de esta fuente. Un aumento de esa velocidad de 1 m/s, dígase de 4 a 5 m/s, significa una elevación importante en la potencia que lleva el viento: 4
3 = 64 y 53 = 125, respectivamente, lo que representa 95% de incremento; igualmente, si la velocidad del viento se duplica, la potencia del viento será ocho veces mayor. Por lo tanto, los lugares con mayores velocidades del viento son los más adecuados para la instalación, tanto de aerogeneradores de mediano y gran tamaño para la electricidad, como para la explotación de molinos de viento.

 

 

En la tabla 1, tomada del manual Power Guide (1994), aparecen las posibilidades de uso de la energía eólica, sobre la base de los valores medios de las velocidades anuales del viento.


Selección del molino de viento


La respuesta a este aspecto no se aleja de otras similares referidas a otros equipos, es decir, se deben considerar tanto los aspectos técnicos como los económicos.

En el mercado mundial, incluyendo el cubano, existen dos tipos de molinos de viento comerciales: los molinos de viento ligeros, o de baja solidez, y los tradicionales de tipo multipala americano, más pesados y de mayor solidez. La experiencia ha demostrado que las aerobombas ligeras de poca solidez tienen mejor comportamiento donde la altura de bombeo no sea mayor de 25 m y las velocidades del viento sean bajas. Esto pudiera cubrir una gran parte del territorio nacional, exceptuando las zonas donde la profundidad del agua es mayor y las velocidades del viento son altas, según las indicaciones del mapa eólico de Cuba y las mediciones realizadas a lo largo de todo el país. Estos molinos de viento ligeros no están diseñados para trabajar en condiciones de alta velocidad del viento, por las altas cargas dinámicas a que se ven sometidos. Experiencias en diversos países han corroborado esta afirmación, ya que se han instalado en lugares de vientos intensos y poco tiempo después han sufrido grandes daños.

Tabla 1
Relaciones generales entre viabilidad
y velocidad de viento para su uso como fuente de energía



El molino de viento tradicional multipala ha dado muestras durante muchos años de probada viabilidad en sitios donde la altura de bombeo excede los 25 m y las velocidades del viento son altas, aunque también funcionan en condiciones de baja velocidad del viento y bajas cargas de bombeo. No obstante, cuando se acerca un huracán es necesario tomar las medidas orientadas por el fabricante para amortiguar los daños por muy robusta y confiable que sea su estructura.

En cualquiera de los casos, su correcta explotación estará en función de la adecuada instalación, operación y mantenimiento con la periodicidad requerida.

 

 


Demanda de energía hidráulica

Primeramente, es necesario conocer el caudal de agua necesario en un período dado (Q, en m
3) y la altura de bombeo, incluidas las pérdidas hidráulicas en el sistema (H, en m). La demanda total de energía hidráulica podrá ser expresada en m4 (m3.m). A esta magnitud se le conoce como «producto volumen carga», PVC, que se calcula mediante la expresión:

E
h = ñgQH = 1 000 x 9,81 x Q x H
PVC = Q x H = Eh / 9 810

Donde:

E
h = Energía hidráulica requerida, en J
ñ = Densidad del agua (1 000 kg/m
3)
g = Constante de gravedad ( 9,81 m/s
2)

Es decir, si la energía hidráulica Eh = 3 600 000 J = 3,6 MJ = 1 kWh, esto corresponderá a un PVC de 367 m
3.m (3 600 000 /9 810), de lo cual se puede deducir que, si la altura de bombeo es de 10 m, la cantidad correspondiente de agua bombeada será de 36,7 m3 en un período dado.

Cantidad de molinos a emplear

Cada aplicación requiere la selección adecuada del número de molinos de viento y de su bomba de émbolo, es decir, la mejor solución que responda a una situación concreta.

Desde hace mucho tiempo se viene empleando una fórmula empírica muy simple que permite dimensionar el equipo de bombeo eólico, y estimar aproximadamente la entrega de energía hidráulica durante un período determinado. Esta fórmula es la siguiente:

P = 0,1 AV
3

Donde:

P: Potencia eólica promedio durante el período de estimación, en W, que entrega un molino de viento
A: Área del rotor, en m
2
V: Velocidad promedio del viento en el período de estimación, en m/s.

Esta fórmula aparece en toda la bibliografía especializada en el tema. En el trabajo de Pinilla, Burton y Dunn (1984), aparece debidamente fundamentada y admite que el coeficiente puede variar desde 0,5 hasta 1,5, en dependencia de las condiciones de la instalación y del régimen de viento (ver Recuadro 1).

  Recuadro 1

Se dispone de un molino de viento tradicional de 10 pies de diámetro (3,05 m), y se pretende instalar en un sitio donde la velocidad promedio anual es de
4 m/s. De acuerdo con la fórmula anterior, la energía hidráulica anual que suministra el molino de viento es aproximadamente la siguiente:
E
hid = 0,1 x ð/4 xD2 x V3 x 8 760 horas/año = 0,1 x ð/4 x 32 x 43 x 8 760 = 396,29 kWh/año
Si se divide entre 365 días al año, resulta 1,1 kWh por día. Esto equivale a decir que 396 kWh por año representa 1,1 kWh por día. Anteriormente se precisó que
1 kWh se corresponde con un PVC = 367 m
3.m, por lo que
1,1 kWh/día representa una capacidad de energía hidráulica de 403,7 m
4/día (367 x 1,1).

Es necesario verificar este resultado, tomando como referencia los datos del fabricante. Para esto se tomará, por ejemplo, el catálogo del modelo Huracán, distribuido en Cuba por el Ministerio de la Agricultura.

En la tabla de capacidades se indica que en este molino, con un rotor de 3,05 m, la capacidad de entrega por hora es de 2,74 m3, con una altura de bombeo de 25 m. Considerando que el molino trabaja 6 horas diarias, la entrega total diaria resulta 2,74 x 6 = 16,44 m3. Esto equivale a 25 x 16,44 = 411,0 m4/día, que es aproximadamente igual a los 403,7 m4/día.

Ello corrobora que la metodología anteriormente explicada permite determinar aproximadamente cuántos molinos de viento se necesitan para una determinada aplicación (ver Recuadro 2).



Recuadro 2

En una vaquería con 100 vacas lecheras, se estima que cada animal consume como promedio 140 litros diarios de agua, lo que equivale a 14 000 litros diarios, o 14 m
3/día; la altura de bombeo es de 25 m, teniendo en cuenta la profundidad del manto freático, la altura del agua en el tanque de almacenamiento y las pérdidas hidráulicas en las tuberías.

Esto representa un PVC = 350 m
4/día (14 x 25). Se desea conocer cuántos molinos de viento se necesitan para satisfacer esta necesidad. Se presentan dos situaciones:

1. No se posee catálogo del fabricante.

Si se dispone de molinos de viento de 10 pies de diámetro (3,05 m), que es el que se comercializa y distribuye en el país, ya se constató que si se instala en un sitio donde la velocidad promedio anual es de 4 m/s, la energía que suministra el molino es de 396,29 kWh/año, o lo que es lo mismo, 1,1 kWh/día. Ya se conoce que 1,1 kWh/día representa una capacidad de energía hidráulica de 403,7 m
4/día (367x1,1), por lo que se necesita un solo molino, ya que 403,7 m4/día > 350 m4/día.

2. Se dispone del catálogo de un modelo de molino de viento.

Si dispone del catálogo del molino de viento Huracán, en estas condiciones, un molino de este modelo con 3,05 m de diámetro de rotor, entrega 2 740 litros diarios (2,74 m
3). Si se estima el tiempo de trabajo entre 5 y 6 horas como promedio diarias, se entregaría
13,7-16,44 m
3/día, que es suficiente para cubrir la necesidad de 14 m3/día.

En otros artículos de la revista Energía y tú se estudia la determinación de las dimensiones de la bomba de émbolo, o pistón, que se debe emplear.

Publicado en Energía y tú,
No. 59, jul.-sep., 2012.

* 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