ARTÍCULOS

 

caracteristicas del viento y del potencial eolico del altiplano central

 

wind characteristics and wind power potential in bolivian's altiplano region

 

 

Jesus Encinas, Rene Torrez, Flavio Ghezzi, & Eduardo R. Palenque
Instituto de Investigaciones Físicas, Carrera de Física
Universidad Mayor de San Andres c. 27 Cota-Cota, Campus Universitario, Casilla de Correos 8635
La Paz - Bolivia
(Recibido 9 de septiembre de 2015; aceptado 22 de diciembre de 2015)

 

 

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Resumen

Se describen las principales caracterısticas de la atmósfera sobre el Altiplano Central (3800 msnm) para poder estimar el potencial eolico de la región. Se recolectó simultáneamente datos de la direccion e intensidad del viento, temperatura y humedad relativa del aire, y presion atmosférica; en intervalos de cinco minutos, durante el período septiembre de 2010 a enero de 2012. Los sensores estaban a 3 metros sobre el nivel del suelo. Se analizan los promedios de la energía eolica en periodos estacionales, mensuales y diarios. También se consideran parametros como variaciones de la densidad del aire e intensidad de la turbulencia. Los resultados obtenidos muestran una correlacion interesante entre la disponibilidad y la demanda local de energía.

Codigo(s) PACS: 92.70.Cp, 47.85.Gj, 07.05.Hd

Descriptores: Física de la atmosfera — Dinámica de fluidos — Adquisición de datos.

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Abstract

This work sets out to study the atmospheric features of Bolivia's Altiplano region at 3800 masl, as a means to estimate the region's wind power potential. We simultaneously collected data: wind speed and direction as well as temperature, air pressure and humidity, at five-minute intervals at 3 meters above ground level during the period September 2010 to January 2012. Density and turbulence intensity variations were also considered. We analyzed average wind power levels for seasonal, monthly and daily time periods. The obtained results indicate an interesting coincidence between energy demand and supply.

Subject headings: Atmosphere physics — Fluid dynamics — Data acquisition.

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1. INTRODUCCION

La política energetica boliviana incluye una componente de energía eolica para cubrir las demandas actuales y futuras, en especial en las areas rurales, donde la distribucion de energía electrica es difícil y costosa. La falta de datos validados sobre los parametros atmosféricos, y por consiguiente de los modelos de vientos, en especial a nivel de superficie, significan que la produccion de energía eolica recién está comenzando. En este trabajo se presentan resultados sobre datos recolectados en la estacion meteorológica de Patacamaya, en el altiplano central, (parte del IIF). Se eligio esa localidad por ser representativa de las caracterísiticas topograficas del altiplano, y por su posición económica estrategica. Mientras Patacamaya tiene principalmente actividades agropecuarias, es tambien el centro de abastecimiento para el comercio entre Bolivia y el Oceano Pacífico. Ademas la zona presenta un nivel de contaminacion muy bajo, por lo que se convierte en un sitio ideal para realizar estudios que pudiesen tener influencia en el mercado energetico.

 

2. CARACTERISTICAS Y MEDICIONES LOCALES

Se instalo una estación meteorológica autónoma (Fischer Barometer G-bH) en la localidad de Pataca-maya (17^O15'39"S',67^O56'53"O,3798 msnm) que mide presion atmosférica, temperatura y humedad del aire, e intensidad y direccion del viento. Los sensores estan colocados a tres metros sobre el nivel del suelo. Patacamaya esta en el altiplano central, al sur del Departamento de La Paz, y es un area representativa del altiplano boliviano por sus características geograficas, que incluyen la altura geográfica, una superficie plana sin vegetacion alta y la lejanía de las montanas de las Cordillera de los Andes. Los valores típicos que se midieron en la region incluyen los siguientes: en los meses de verano, la radiacion solar alcanza valores maximos de 1594 W/m² entre las 12 : 00 y 13 : 00 horas. El maximo de temperatura de 25.2°C se da entre las 13 : 00 y 14 : 00 horas en primavera, mientras que la temperatura mınima, de — 11.7°C se da entre las 06 : 00 y 07 : 00 en invierno.

La humedad relativa del aire tiene un valor medio de 50.16% en los días sin lluvias. Este estudio sobre las caracterısticas del viento y la estimación de la energía eolica en el área de Patacamaya se basa en los datos de: direccion y velocidad del viento; presión atmosferica; y temperatura y humedad relativa del aire; los cuales se tomaron a intervalos de cinco minutos entre el 21 de septiembre de 2010 hasta el 20 de enero de 2012. A fin de tener una mejor comprension del potencial eolico, se dividió la base de datos de la siguiente forma:

•  Primavera 2010: del 21-09-2010 al 20-12-2010

• Verano 2011: del 21-12-2010 al 20-03-2011

•  Otono 2011: del 21-03-2011 al 20-06-2011

•  Invierno 2011: del 21-06-2011 al 20-09-2011

•  Primavera 2011: del 21-09-2011 al 20-12-2011

• Verano 2011: del 21-09-2011 al 20-12-2011

Para poder determinar el potencial eolico de un area en particular es necesario conocer las características del viento en la misma. Para ello, estudiamos el patron de comportamiento (diario y estacional) de los vientos, la direccion predominante de los mismos, los niveles de turbulencia; y la influencia de la densidad y humedad atmosferica sobre el comportamiento de los vientos.

 

3. RESULTADOS

3.1. Dirección del viento

Es necesaria para determinar la orientacion de los alabes y las turbinas para optimizar la producción de energía eolica. Se construyó una rosa de vientos a partir de los datos de las medidas de la direccion del viento, expresada en grados respecto de la direccion norte. En la Figura 1 se muestra en caracter unidireccional del viento, lo que indica que este circula dentro del mismo rango de direcciones, en forma independiente de la estacion, el mes, o el día en que se haya medido.

El rango obtenido de las medidas esta entre los 337.5° a 360 en relacion al norte (ó desde 0° a 22.5° si se mide contra las manecillas del reloj) Existen fluctuaciones fuera de este rango, pero que no son frecuentes.

3.2. Distribución de la velocidad de vientos

Para poder construir la funcion de distribución de probabilidades de la velocidad del viento mostrada en la Figura 2; se utilizo un rango de intervalos de 0.5 m/s y una distribucion de Weinbull bi-parametrica (Caretto 2014). El ajuste fue realizado con el Metodo de Máxima Verosimilitud (Maximum Likeihood Method MLM) (Caretto 2014; Shamshad et al. 2014) para estimar el factor de forma ( k) y el factor de escala (c) de la ecuacion 1:

Despues del proceso de ajuste, se obtuvo la siguiente funcion de distribución (ec.2) donde v es la velocidad del viento:

Una vez que se conocen los parametros de la distribucion de probabilidades, se pueden calcular la curtosis (3.1087), la asimetría (0.7518), la velocidad mas probable (vmp = 2.245 m/s) y velocidad promedio (vave = 3.448 m/s)

3.3. Intensidad del viento

Para poder determinar el potencial eolico es necesario conocer la intensidad del viento en los diferentes periodos. En este trabajo se utilizaron promedios diarios, mensuales y estacionales para estimar el potencial eolico local. Como se muestra en la Figura 3a, sobre datos de mas de un año, la velocidad media del viento alcanza maximos entre 4 y 4.3 m/s, en los meses de noviembre y diciembre; durante el periodo de transicion de primavera a verano. Para comparacion, al inicio del invierno, en los meses de mayo y junio, los mınimos se dan entre 2.5 y 3.0 m/s. En la Figura 3b se observa que, durante un ciclo diario, el maximo de la velocidad media, con valores entre 5.0 y 5.2 m/s se da entre las 16:00 y 17:00 horas, cercano al ocaso. Tambien se observa que la velocidad mínima media entre 2.3 y 2-0 m/s se produce entre las 05:00 y 06:00, al alba.

3.4.  Densidad del aire

La densidad del aire es un factor clave para poder estimar el potencial eolico, por lo que fue incorporada al analisis, considerando valores diarios y mensuales. La densidad local del aire se calculo utilizando el modelo CIPM 2007 (Picard et al. 2008; Farkas 2014) para asegurar la precision y un mejor estudio de sus variaciones. Se encontro que la densidad del aire se incrementa en los períodos de transicion de primavera a verano y de otono a invierno; pero disminuye al pasar de invierno a primavera, como se puede ver en la Figura 3c. El analisis de los datos diarios demuestra que la densidad llega a su maximo valor (0.820 kg/m3) entre las 05:00 y 06:00 horas, cuando la velocidad del viento llega a valores de 2.0 m/s. El valor mínimo diario (0.778 kg/m3) ocurre entre las 14:00 y 15:00 horas, cuando la velocidad del viento alcanza el valor maximo de 5.0 m/s; tal como se aprecia en las Figuras 3d y 3b.

3.5.  Humedad del aire

A pesar que la humedad del aire no esta en forma explícita en el calculo del potencial eólico, es importante considerar su influencia sobre la velocidad del viento y la densidad del aire. Comparando la densidad del aire y la humedad relativa, como se muestran en las Figuras 3c y 4a, encontramos una relacion inversa entre estas dos variables sobre periodos mensuales, y tambien se observa que la humedad del aire incrementa durante los meses de primavera, verano e invierno, pero disminuye en otono. Se encuentra que los valores diarios de la humedad alcanzan maximos de 71.5% entre las 05 : 00 y 06 : 00 horas; mientras el mínimo de 29% se alcanza entre las 14 : 00 y 15 : 00 horas. Analizando las figuras 3d y 4b se encuentra que durante los periodos diarios, existe una relacion directa entre la densidad del aire y humedad relativa.

3.6. Temperatura

Las variaciones de las temperaturas son mas significativas que las variaciones de la densidad del aire o las de humedad relativa. Esas variaciones nos ayudan a describir y entender mejor las fluctuaciones locales de la velocidad del viento. En las figuras 4c y 5a se observa que a inicios de primavera y hasta el final del verano, se tienen los valores mas altos de potencial eolico, mientras que en los meses de otoño e invierno, se tienen los valores mas bajos, en concordancia con los incrementos de temperatura. Las mismas relaciones se encuentran en una escala diaria. Se destaca que durante los periodos mensuales, los valores de temperatura varían en un rango desde -14°C hasta 20°C.

3.7. Intensidad de Turbulencia

El indicador mas común para la turbulencia local es la desviacion estándar de la velocidad del viento.

Al normalizar este valor en relacion al valor medio, se obtiene la intensidad de la turbulencia, como se ve en la ecuacion 3.

Este valor nos permite evaluar el nivel de turbulencia local, y como indicador de niveles bajos, con valores menores a 0.10, niveles moderados de 0.25 y valores altos a mayores que 0.25. La Tabla 1 muestra las intensidades estimadas para la intensidad de la turbulencia para cada mes, mostrando que todos los valores son mayores a 0.5, con una media de 0.62 para el periodo de estudio. Como no existen obstaculos naturales para la altura del anemometro, la turbulencia esta producida por fricción del viento contra el suelo.

3.8. Potencial Eólico:

Para estimar el potencial eolico para periodos diarios, mensuales y estacionales, se utilizo la ecuación 4, que considera valores discretos de la velocidad del viento y la densidad del aire.

donde P(W) es la potencia, p(kg/m³) es la densidad del aire, que no es constante; v(m/s) es la velocidad horizontal del viento, A (m²) es la seccion transversal, y CP es el coeficiente maximo de potencia (límite de Betz) del aero-generador, cuyo valor es 0.5927 (16/27) (Torrez et al. 2009). La Tabla 2 muestra las variaciones estacionales de la potencia eolica y la energía disponible. En la Tabla 2 se observa que la primavera es el periodo de mayor potencia eolica. En la figura 4a se observa que se alcanzaron los valores maximos de 23.32 kWh/m² y 22.03 kWh/m² respectivamente en los meses de diciembre de 2010 y noviembre de 2011; mientras que los mınimos de 8.87 kWh/m2 y 10.12 kWh/m2 a los que se llegan en los meses de mayo y junio. Estos resultados concuer-dan con el comportamiento estacional descrito en la Tabla 2.

3.9. Potencia Eólica

En cuanto a la potencia Eolica a escalas diarias en la figura 5b se encuentra que entre las 16 : 00 y 17 : 00 horas, se alcanzan respectivamente valores maximos de 1.13 kWh/m² y 1.30 kWh/m2; mientras que el valor mínimo de 0.14 kWh/m² se alcanza entre las 05 : 00 y 06 : 00. Estos valores concuerdan con el comportamiento medio diario para la velocidad del viento y la densidad del aire.

 

4. CONCLUSIONES

En este estudio se describen las principales características atmosfericas del altiplano boliviano. Nuestro analisis indica que los valores del potencial eolico son suficientemente altos como para permitir el aprovechamiento del viento como una fuente alternativa (o complementaria) de energía para cubrir la demanda basica de los habitantes del altiplano boliviano (Geerts et al. 2006; Garcıa et al. 2007). Utilizando un analisis estadístico estimamos que el potencial eolico en el altiplano central tiene vientos basicamente unidireccionales, con una curva de distribucion de curtosis (k) 3.1087 y un valor medio de 3.448 m/s; que nos llevan a concluir que sí es posible utilizarlos como fuente de energía. Ademas, ocurre que los valores maximos diarios ocurren al atardecer, justo al tiempo del pico de mayor demanda en la red electrica. Nuestro estudio es único en el sentido que se basa sobre datos recolectados en campo, a intervalos específicos y cortos, por lo que podría ser importante para verificar futuros modelos y simulaciones. Confiamos que este sera un punto de partida para el desarrollo y diversificacion de la matriz energética del altiplano, en especial en el altiplano central.

 

REFERENCIAS

Caretto L. (2014), http://www.csun.edu/lcaretto/me483/09-windPDF.pdf         [ Links ]

Farkas Z. (2014), http://arxiv.org/pdf/1103.2198v1.pdf        [ Links ]

García M., Raes D., Jacobsen S. E. & Michel T. (2007), Journal of Arid Enviroments 71, 109.         [ Links ]

Geerts S., Raes D., Garcıa M., Del Castillo C. & Buytaert W. (2006), Agricultural and Forest Meteorology 139, 399.        [ Links ]

Shamshad A., Wam Hussim W. M. A., Bawardi, M. A., & Mohd Samusi, S. A. (2014),http://eprints.usm.my/10959/1/Analysis_of_Wind_Speed_Variations_and_Estimation_of_Weibull_Parameters_for_Wind_Power_(PPK_Awam).pdf        [ Links ]

Picard A., Davis R. S., Glaser M. & Fujii K. (2008), Metrología 48, 149.         [ Links ]

Torrez R., Ghezzi R & Palenque E. (2009), Revista Boliviana de Física 15, 8.        [ Links ]