APLICACIONES DEL BOMBEO EOLICO A LA

APLICACIONES DEL BOMBEO EOLICO A LA GANADERIA EN CUBA
Rolando Soltura Morales; Ransés J. Vázquez Montenegro; Sara I. Mon,Gloria
Rodríguez
Instituto de Meteorología de Cuba
Loma de Casablanca, Ciudad Habana, Cuba
Fax: (537) 33 80 10
RESUMEN: Se propone un mapa de Cuba con la distribución del caudal (expresado en
m3) o cantidad de agua bombeada por el molino de viento BAYAMO-II, producido por
una empresa nacional. Para la confección de dicho mapa, se emplearon las estadísticas
de viento de 52 estaciones meteorológicas, correspondientes al período 1975-1994. Se
hace además una caracterización del régimen de los vientos en Cuba, atendiendo a las
condiciones del terreno. Se analizan las condiciones de viento en 46 municipios
ganaderos, y se determina el potencial anual de bombeo eólico en cada municipio. De
acuerdo con los resultados obtenidos, el régimen de los vientos en Cuba puede
calificarse de pobre y aceptable.
INTRODUCCION
Se estima que en Cuba existen más de 8 000 molinos de viento diseminados por todo
el país, empleados básicamente en el sector agropecuario (más del 90 %). La Dirección
Nacional de Ganadería, adscrita al Ministerio de la Agricultura, solicitó a finales de
1997 un estudio del potencial de bombeo eólico en Cuba, especialmente en los 46
municipios ganaderos, utilizando el molino de viento BAYAMO-II, producido por
AGROMECANICA, provincia Granma. El costo de este molino se estima en el orden
de 1300 USD.
Las variaciones del clima en Cuba, de acuerdo con investigaciones realizadas,
muestran cierto desbalance hídrico asociado a los niveles de precipitación, el cual en
muchos casos incide negativamente en la conservación y restablecimiento del manto
freático en determinadas zonas del país, especialmente aquellas ligadas a la actividad
ganadera. Por esta razón se hace necesario acometer un estudio de tal naturaleza, que
permita caracterizar el régimen de los vientos en Cuba y permita a su vez determinar el
potencial de bombeo eólico por regiones, con vista a trazar políticas coherentes acordes
con un desarrollo sostenible de nuestra agricultura, basadas en el empleo de las fuentes
renovables de energía. Siguiendo esta línea de trabajo, en el presente artículo se
pretenden alcanzar los siguientes objetivos: 1) caracterizar el régimen de los vientos en
Cuba, y 2) determinar el potencial de bombeo eólico en diferentes regiones, teniendo en
cuenta las estadísticas de viento de las estaciones meteorológicas del Servicio Nacional.
MATERIALES Y METODOS
La red de estaciones de Cuba está integrada por 65 estaciones meteorológicas, cada una
con registros trihorarios de velocidad y dirección del viento, medidos a la altura de 10
m sobre la estación por períodos de más de 20 años. Para la confección del presente
trabajo se utilizaron 52 estaciones con registros de 20 años correspondientes al período
1975-1994.
En el Atlas Eólico de Cuba (Soltura et. al., 1997) se hizo el análisis del entorno
topográfico de cada estación meteorológica, utilizando mapas de escala 1:50 000.
Combinando este análisis con los resultados del Atlas Eólico Europeo (Petersen et. al.,
1986), se propone, siguiendo las características topográficas más comunes que pueden
presentarse en los territorios ganaderos, una clasificación del terreno mostrada en la
tabla 1. El 73 % de las estaciones seleccionadas presentan topografías del tipo Z0=0.1 m.
Tabla 1. Clasificación de la topografía atendiendo al valor del parámetro de rugosidad Z0 (m).
DESCRIPCION DEL TERRENO
PARAMETRO DE
RUGOSIDAD
Z0 (m)
0.03
Areas abiertas con pocos setos. El terreno es muy abierto y llano o suavemente ondulado. Se
incluyen los casos de granjas, árboles y arbustos aislados.
0.10
Tierra de cultivo con setos, la separación media entre setos sobrepasa los 1000 m y algunas
áreas con edificaciones dispersas. El Terreno se caracteriza por grandes zonas despejadas
entre setos, dando al paisaje una sensación de apertura. El terreno puede ser llano u ondulado.
Hay varios árboles y edificios.
0.40
Distritos urbanos, bosques y campos de cultivo con muchos setos. Los campos de cultivo se
caracterizan por áreas reducidas separadas por setos, con distancias entre setos de centenares
de metros. Los bosques y las áreas urbanas también pertenecen a esta clase.
Debido a que en un municipio ganadero puede presentarse por su extensión más de un
tipo de terreno, para determinar el régimen de los vientos al pasar de un tipo de
rugosidad a otra, se empleó un modelo de extrapolación horizontal propuesto en el Atlas
Eólico de Cuba (Soltura et. al., 1997). La tabla 2 muestra una clasificación del régimen
de los vientos en Cuba.
Tabla 2. Clasificación del régimen de los vientos en Cuba.
CLASIFICACION
muy pobre
pobre
aceptable
favorable
muy favorable
excelente
excepcional
Z0 = 0.03 m
V (m/s)
< 1.2
1.2 – 2.4
2.4 – 3.6
3.6 – 4.8
4.8 – 6.0
6.0 – 7.2
> 7.2
Z0 = 0.1 m
V(m/s)
< 1.0
1.0 – 2.0
2.0 – 3.0
3.0 – 4.0
4.0 – 5.0
5.0 – 6.0
> 6.0
Z0 = 0.4 m
V(m/s)
< 0.7
0.7 – 1.5
1.5 – 2.2
2.2 – 3.0
3.0 – 3.7
3.7 – 4.4
> 4.4
Para la extrapolación vertical de los datos de viento a la altura del buje del molino se
emplearon los nomogramas de Golder (1972) y Sedefian (1980), aplicados por Hsu
(1982) en el Caribe.
Las características técnicas de la aerobomba utilizada en el presente trabajo son
mostradas en la tabla 3.
Tabla 3. Dimensiones y parámetros técnicos fundamentales del molino BAYAMO-II.
DENOMINACION
ALTURA HASTA EL ARBOL
ALTURA DE LA TORRE
AREA DE LA BASE
DIAMETRO DE LA RUEDA
NUMERO DE SECCIONES
NUMERO DE ASPAS
PESO DE LA TORRE
PESO CONJUNTO MOTRIZ
RELACION TRANSMISION
MAQUINA
MASA TOTAL DEL EQUIPO
CANTIDAD
13.52
13
6.16
3.03
6
18
970
154.35
3.28
UNIDAD
M
M
M2
M
U
U
KG
KG
1114.35
KG
Combinando las estadísticas de viento de las estaciones meteorológicas con la tabla de
capacidades del molino de viento BAYAMO-II, se calcula el caudal (expresado en m3) o
cantidad de agua bombeada para diferentes alturas de bombeo o cargas y para el
diámetro de 3 pulgadas. La tabla de capacidades propuesta por el fabricante es mostrada
en la tabla 4.
Tabla 4. Capacidades del molino de viento BAYAMO-II.
H(m): altura de bombeo o carga. Q(litros/hora): caudal o cantidad de agua entregada.
VELOCIDAD DEL VIENTO (M/S)
DIAMETRO
DEL EMBOLO
(PULGADA)
2.8
3.6
4.4
5.6
6.4
7.2
3
H(m)
24
32
40
48
56
65
Q(lit/h)
396
523
655
787
910
1057
Para determinar el equivalente horario de capacidad de bombeo, dado por la demanda
diaria de agua de una vaca y el número de horas al día en que un molino puede bombear,
se tuvieron en cuenta los siguientes criterios: 1) la demanda diaria de agua de una vaca
de 500 kg de peso que promedie al día 10 litros de leche es 100 litros/día de agua; 2)
bajo nuestras condiciones un molino de viento puede bombear en promedio unas 5 horas
al día; y 3) el coeficiente de pérdidas por explotación del molino se consideró igual a
0,9.
Para la confección del mapa de distribución del caudal (m3) bombeado por el molino
BAYAMO-II en Cuba se utilizaron los Sistemas de Información Geográficos MapInfo e
Idrisi y para la interpolación se utilizó el software Surface.
DISCUSION DE LOS RESULTADOS
Las condiciones medias de viento así como las posibilidades de bombeo eólico para
los 46 municipios ganaderos del país son resumidas en la tabla 5. De ésta se aprecia que
el 58.7 % del total de los municipios presentan un régimen de vientos pobre, el 28.3 %
aceptable, el 6.5 % favorable y el 6.5 % muy pobre. Es decir, en general, el régimen de
los vientos en Cuba se puede calificar de pobre y aceptable.
Tabla 5 . Condiciones medias de viento y posibilidades de bombeo eólico para los
46 municipios ganaderos del país.
PROVINCIA
MUNICIPIO
VELOCIDAD CLASIFICACION
DEL REGIMEN DE
MEDIA
VELOCIDADES
m/s
Pinar del Río
1.3
pobre
Pinar del Río
Consolacion del Sur
1.8
pobre
San Cristobal
2.4
aceptable
Caimito
2.7
aceptable
La Habana
Bauta
2.7
aceptable
San José
1.9
pobre
Madruga
1.8
pobre
Limonar
1.2
pobre
Matanzas
Pedro Betancourt
1.5
pobre
Colón
1.6
pobre
Martí
1.8
pobre
Los Arabos
1.6
pobre
Cumanayagua
1.9
pobre
Cienfuegos
Rodas
2.1
aceptable
Aguada de Pasajeros
2.1
aceptable
Villa Clara
Sancti Spíritus
Ciego de Avila
Camagüey
Las Tunas
Holguín
Granma
Santiago de Cuba
Guantánamo
Isla de la Juventud
Santa Clara
Sagua la Grande
Manicaragua
Sancti Spíritus
La Sierpe
Trinidad
Cabaiguán
Yaguajay
Morón
Primero de Enero
Venezuela
Majagua
Guáimaro
Jimaguayú
Camagüey
Florida
Las Tunas
Majibacoa
Holguín
Mayarí
Calixto García
Bayamo
Jiguaní
Manzanillo
Cauto Cristo
Santiago de Cuba
Contramaestre
Palma Soriano
Niceto Pérez
Guantánamo
Isla de la Juventud
1.9
2.4
1.4
1.4
1.9
1.8
1.4
2.2
2.0
2.1
2.1
2.3
2.0
3.1
3.1
3.1
2.3
2.3
1.6
0.8
2.3
1.3
1.3
1.3
1.6
2.0
0.8
0.8
1.2
1.2
2.6
pobre
aceptable
pobre
pobre
pobre
pobre
pobre
aceptable
pobre
aceptable
aceptable
aceptable
pobre
favorable
favorable
favorable
aceptable
aceptable
pobre
muy pobre
pobre
pobre
pobre
pobre
pobre
pobre
muy pobre
muy pobre
pobre
pobre
aceptable
La Fig. 1 muestra un mapa de distribución del caudal (m3) o cantidad de agua
bombeada por el molino de viento BAYAMO-II para Cuba. Para su confección se
utilizaron 52 estaciones meteorológicas del Servicio Nacional; de modo que, los
resultados que se obtienen son representativos de todo el país. Como era de esperar, este
mapa confirma los resultados obtenidos en la tabla 5, donde los municipios están
distribuidos, por el orden en que aparacen en la tabla, de occidente a oriente.
Fig. 1 Distribución del caudal (m3) o cantidad de agua bombeada por el molino de viento BAYAMO-II.
Tabla 6. Caudales o gastos (m3) entregados por el MV BAYANMO-II. V(m/s): velocidad media del
viento a la altura de 10 m sobre la estación. Z0= 0.1 m.
CAUDAL O GASTO EN M3 DEL MOLINO BAYAMO-II
DIAMETRO DEL EMBOLO: 3 ”
Z0 = 0.1 m
V
m/s
ALTURA DE BOMBEO (m)
< 1.0
1.0 – 2.0
2.0 – 3.0
3.0 – 4.0
4.0 – 5.0
5.0 – 6.0
> 6.0
8
< 281
281 – 1125
1125 – 2530
2530- 4498
4498 – 7028
7028 - 10120
> 10120
16
< 141
141 – 562
562 – 1265
1265 – 2249
2249 – 3514
3514 – 5060
> 5060
24
< 94
94 – 375
375 – 843
843 – 1499
1499 – 2343
2343 – 3373
> 3373
32
< 73
73 – 294
294 – 661
661 – 1174
1174 – 1835
1835 – 2642
> 2642
40
< 61
61 – 243
243 – 547
547 – 972
972 – 1519
1519 - 2188
> 2188
48
< 47
47 – 186
186 – 419
419 – 745
745 – 1164
1164 – 1676
> 1676
Los caudales o gastos entregados por el MV BAYAMO-II para la rugosidad Z0=0.1 m,
diámetro del émbolo de 3 pulgadas y 6 alturas de bombeo son mostrados en la tabla 6 .
La combinación de esta tabla con el mapa de la Fig. 1 permite determinar el potencial de
bombeo eólico en las diferentes regiones.
CONCLUSIONES
De acuerdo con los resultados obtenidos se pueden hacer las siguientes conclusiones: el
58.7 % de los municipios ganaderos, de un total de 46, presentan condiciones de viento
pobres, mientras que el 28.3 % presentan condiciones aceptables; estas mismas
características son reproducidas en el mapa de distribución del caudal o cantidad de
agua bombeada por el molino de viento BAYAMO-II. La tabla 6 muestra que para las
condiciones de viento pobres y aceptables se pueden obtener gastos anuales que de
acuerdo a la altura de bombeo oscilan entre 47 m3 y 1125 m3 para un régimen pobre, y
entre 2530 m3 y 186 m3 para condiciones aceptables. Es decir, no obstante el régimen
general de los vientos en Cuba, existen posibilidades reales de utilizar el viento como
fuente primaria de energía para suministrar agua al ganado.
REFERENCIAS
1. Soltura, R. et. al. (1997): Atlas Eólico de Cuba. Estadística y Climatología.
Potenciales climáticos de generación eolo-eléctrica y bombeo eólico. Revista Solar.
Asociación Nacional de Energía Solar. Sección Mexicana de la International Solar
Energy Society. No.33 Primavera 1997, pp 13-24.
2. Golder, D. (1972): Relation among stability parameters in the surface layer.
Boundary Layer Meteor., 3, pp 47-58.
3. Sedefian, L. (1980): On the vertical extrapolation of mean wind power density .
Jour. Appl. Meteor., Vol.19, No.4, pp. 488-493.
4. Hsu, S. A. (1982): Determination of the power-law wind profile exponent on a
tropical coast . Jour. Appl. Meteor., Vol.21, No.8, pp. 1167-1190.
5. Troen, I. and Petersen, E.L. (1986): European Wind Atlas. European Wind Energy
Association, Conference and Exhibition, Roma, Italy.