ABSTRACT— Non-renewable resources are an energy supply that will end sooner or later to run out, because with the passage of time brought its implementation has adverse consequences on the climate, which manages to be disturbing for the world. Many of the countries are aware of these effects often seek transcendent and efficient solutions that allow the problem file, such as the Kyoto protocol, which is an international agreement that seeks to curb emissions of gases. It also is vitally important to seek new sources that are friendly to the environment and instead allow the extension of service life. Among these are alternative energies, which are based on energy flows and the planet's natural cycles. KEYWORDS—Resource, Energy, Environment, Renewable Energy.
I. INTRODUCCIÓN
l consumo de energía es uno de los grandes medidores de progreso y bienestar de una sociedad. Sin embargo estos funcionan a partir de fuentes finitas, como son los combustibles fósiles y nucleares, de seguir así, es inevitable que en algún momento se llegue a una crisis energética. Es posible solucionar este problema a través del uso y desarrollo de nuevos métodos que suplan esta necesidad, como lo son las energías alternativas.
Las energías alternativas son fuentes renovables que generan electricidad limpia a partir de ciclos naturales, además no destruyen el medio ambiente sino que por el contrario contribuyen a la solución de problemas ambientales, como lo es la huella de carbono, calentamiento global, efecto invernadero, entre otros.[1]1
Los problemas ambientales siempre han sido una causa preocupante que frena en cierto modo el desarrollo de un país tanto económicamente como industrialmente, y que si bien es cierto se encuentran relacionadas con la variación inconsistente de las temperaturas globales como las sequias,
Andrea M. Castro, Estudiante de Ingeniería Electrónica de la Universidad Santo Tomas, Seccional Tunja
María F. Raigoso, Estudiante de Ingeniería Electrónica de la Universidad Santo Tomas, Seccional Tunja
Adriana P. Velosa, Estudiante de Ingeniería Electrónica de la Universidad Santo Tomas, Seccional Tunja
William F. Álvarez Castañeda. Docente Universidad Santo Tomás. [email protected]
inundaciones, huracanes, entre otros.. Luego esta principal causa que no logra pasar indiferente hace que los países más desarrollados opten por diseñar o presentar nuevas propuestas tecnológicas que permitan generar en este caso energía eléctrica limpia a partir de fuentes inagotables y más amigables tanto con el medio ambiente como con el ser humano, sin embargo el verdadero desafío es que en ocasiones su potencial no puede ser aprovechado por completo, ya sea por el lugar donde se encuentran ubicados o por los diferentes factores climáticos que afectan a la región. Actualmente la ejecución de este tipo de energía se encuentra en una etapa inicial, en cuanto al avance de las tecnologías desarrolladas, actualmente se alcanza una eficiencia aproximada del 25% en la energía solar y de un 65% en la energía eólica.
II. ANTECEDENTES A. ¿Qué es la Energía Eólica?
Presenta su origen en el sol que es el responsable que se produzcan las corrientes de viento. Dado que la atmosfera de la tierra es la encargada de absorber la radiación solar, sin embargo como el sol no calienta la superficie de la tierra en igual proporción, existen zonas que son más calientes que otras, por ejemplo la zona del ecuador es más caliente que los polos lo que provoca que el aire se caliente más es esta zona. La diferencia de presiones hace que el aire frio (Altas presiones) se desplace hacia el aire caliente (Bajas presiones), a este movimiento de aire se le conoce como viento.
Uno de los problemas que presenta con este tipo de energía, es la tecnología actual que solo permite aprovechar los vientos horizontales próximos al suelo, siempre y cuando su velocidad no sea demasiado elevada ni demasiado baja y la frecuencia de los mismos en la zona sea alta. Por lo que si se aprovechara en su totalidad este recurso se podría llegar a abastecer cinco veces la demanda energética mundial anual, cosa que se espera algún día llegue a ser posible. Dato entregado por la UPME (Unidad de planeación minero energética).
Actualmente la energía eólica es la fuente energética más viable y con mayor factibilidad de poder ser implementada y que representara un beneficio significativo tanto como para el usuario como para el medio ambiente.
Energía Eólica en el departamento de
Boyacá, Rosa de los Vientos
M. Castro, M. Raigoso, A. Velosa, Msc W. Castañeda.
B. Energía Eólica en Colombia
Gracias al aporte significativo que se ha venido presentando respecto a la implementación de la energía Eólica como principal fuente de generación de energía eléctrica alternativa. Debido a que el uso de esta energía se remonta desde hace unos cientos de años, donde sus primeros usos eran para labores agrícolas en la molienda de grano y bombeo de agua. Ahora bien algunos países tienen los recursos económicos necesarios para implementar este tipo de energía pero no cuentan con los recursos naturales para satisfacer obtener todos los beneficios de la misma. Por el contrario, Colombia es uno de los países que cuenta con una gran riqueza de potencial eólico principalmente en la región Caribe donde la conversión de energía eólica a energía eléctrica es cercana a los 20.000MW en parque eólico de Jepirachi. Aunque en el país existen otras zonas con buenos vientos como las islas de San Andrés y Providencia, los alrededores de Villa de Leyva en Boyacá, Cúcuta, Santander, Risaralda, el Valle de Cauca y el departamento del Huila
En cuanto al ámbito universitario, en los últimos años se han realizaron importantes avances en el desarrollo de equipos eólicos para la generación de electricidad por parte de la Universidad Nacional de Colombia, sin embargo, estos esfuerzos fueron truncados por falta de financiamiento. Otras universidades han continuado en estos esfuerzos de entender la tecnología eólica, y se hacen visibles trabajos importantes en la Universidad Nacional Seccional Medellín, con el apoyo de las Empresas Publicas de Medellín y la Universidad de Los Andes, desarrollo el molino de viento el Gavilán que es conocido como el molino de viento tropical de doble efecto, que fue patrocinado por el programa de Las Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD), así mismo realizó el diseño de locales comerciales innovadores como la aerobomba Gaviotas. C. Aerogenerador
Los aerogeneradores son aparatos utilizados para transformar la energía cinética del viento en energía eléctrica. El viento es el encargado de mover las turbinas que se encuentran ubicadas sobre una columna que permite mejorar su rendimiento, puesto que a mayor altura mayor será la velocidad del viento. Gran parte de estos aerogeneradores tienen un anemómetro que permite medir la velocidad del viento, por lo que cuando las corrientes de viento son muy fuertes hacen que el rotor se detenga automáticamente para evitar posibles daños. Incluso algunos más avanzados vienen con una veleta incorporada que permite orientar el rotor y las aspas en la dirección del viento. Estos aerogeneradores son ubicados lejos de obstáculos como arboles o edificios que generan turbulencias en el aire Sin embargo antes de implementar este tipo de tecnología se debe realizar un estudio riguroso de las características del viento en la zona que permita determinar el potencial eólico y poder estimar los costos del mismo, ya que en todos los casos que se quiere implementar un sistema eólico no siempre es el
más factible, por lo que se debe recurrir a otro tipo de energía renovable.
III. OBJETIVOS A.Objetivo General
Aplicar el modelo de la rosa de los vientos como un primer recurso para determinar la factibilidad en la generación de energía eólica en tres sitios ubicados en la ciudad de Tunja, a partir del análisis de los datos registrados en campo.
B.Objetivos Específicos
Elaborar la rosa de los vientos que relaciona la velocidad y dirección del viento que se presenta en el Campus de la Universidad Santo Tomás seccional Tunja
Realizar la rosa de los vientos a partir de los datos registrados por la estación meteorológica que se encuentra ubicada en el Alto de Soracá
Efectuar la rosa de los vientos correspondientes a la velocidad del viento y dirección, por medio de los datos registrados por la estación meteorológica localizada en la salida a Villa de Leyva en la Ciudad de Tunja.
IV. RECOLECCIÓNDELOSDATOSDELA
VELOCIDADDELVIENTO
En las áreas montañosas el relieve determina en gran parte el comportamiento de los vientos, de manera que la velocidad del viento real es resultante de tres fuerzas llamadas como: viento de gradiente, fuerza geostrófica y fuerza ciclostrófica. El estudio de la frecuencia, distribución, dirección y velocidad del viento, se da a partir del análisis del modelo conocido como rosa de los vientos, este modelo permitirá describir la prevalencia del viento en un determinado rango de tiempo. El análisis consiste en utilizar diagramas de barras o extensiones que van desde el centro de un circulo hacia un punto determinado que ilustra la dirección del viento, la longitud en cada extensión indicara el porcentaje de tiempo en que el viento se dirigió en determinada dirección. Existen ocho direcciones posibles del viento conocidas como primarias y ocho conocidas como secundaria presentadas en la Tabla 1:
PRIMARIAS SECUNDARIAS
N (Norte) NNE(Norte Noreste) S (Sur) ENE(Este noreste) E (Este) ESE (Este Sudeste) O (Oeste) SSE( Sud Sudeste) NE (Nordeste) SSW(Sud Sudoeste) NO (Noroeste) WSW (Oeste Sudoeste)
SE (Sudeste) WNW (Oeste Noroeste) SO (Sudoeste) NNW (Norte Noroeste)
TABLA I. CLASIFICACIÓN IMPLEMENTADA PARA LA DIRECCIÓN DEL VIENTO
La velocidad del viento se divide en varias unidades para su cuantificación, que van desde millas por hora a metros por segundo, de igual manera se pueden registrar periodos de tiempo donde la velocidad del viento es cero, los cuales se pueden representar como vientos de calma.
La dirección del viento aparte de representarse en coordenadas geográficas es posible describirla en grados a partir de una circunferencia, estos grados van de acuerdo a las manecillas del reloj iniciando con 360º en el norte, teniendo el este con 90º, el sur con 180º y el oeste con 270º. Direcciones como NE tiene un valor de 45º de esta manera se pueden obtener los grados correspondientes a las demás direcciones del viento.
Una vez adquirida e instalada la estación meteorológica en el campus de la Universidad Santo Tomás seccional Tunja se comienza a llevar un registro continuo de cada una de las variables que servirían de base para el desarrollo de la investigación (Precipitación, Temperatura y Velocidad del viento). Sin embargo para poder presentar una mayor veracidad y certeza en la información que se estaba registrando, también se realizo el análisis respectivo de dos estaciones meteorológicas que se encuentran ubicadas una en el alto de Soracá y otra en la salida a Villa de Leyva en la ciudad de Tunja.
Para este caso el análisis estuvo centrado principalmente en la estación meteorológica ubicada en la Universidad Santo Tomás de Tunja, debido a que a partir de los resultados, lo que se desea obtener es una aproximación de la ubicación ideal que podría llegar a tener el aerogenerador en caso de ser implementado, puesto que de esta manera se podrá tener una mayor generación de energía y un aprovechamiento óptimo de los recursos naturales utilizados como fuente de energía renovable, que será no solo un aporte al medio ambiente sino también podrá ser un beneficio económico a largo plazo para la institución.
El periodo de registro de datos con el cual se realiza este primer acercamiento a la rosa de los vientos, corresponde a u n periodo de cuatro meses de datos registrados entre el mes de Mayo y el mes de Agosto del año 2012.
A) Estación Meteorológica Universidad Santo Tomás de Tunja sede Campus
Tunja es una ciudad que presenta una elevación de 2.820 m sobre el nivel del mar, presenta una precipitación media anual de 553mm que hace que su temperatura media sea de 13° Celsius, el campus de la Universidad se encuentra ubicado en la zona Norte de la ciudad.
Para los datos registrados durante el mes de Mayo se observo una dirección del viento orientada hacia la parte Oeste Sudoeste (OSO) en donde también se presentó el registro de
la mayor velocidad con una magnitud de 2.4 m/s. Durante el transcurso de este mes la dirección del viento siempre tuvo mayor frecuencia hacia las direcciones sur oeste, además el rango máximo de velocidad se encuentra ubicado en estas direcciones.
Durante el mes de Junio se conservó la dirección del viento (OSO) aunque presento un incremento en la velocidad de 0,2 m/s para dicho mes llegando a alcanzar los 2,6 m/s. Cabe resaltar que la trayectoria descrita por el viento presento una tendencia superior hacia la dirección Oeste Sur con una frecuencia predominante más hacia el oeste.
En el mes de Julio la dirección del viento presento un comportamiento un poco perturbado puesto que se registraron desviaciones en dirección Sur Este pero con tendencia hacia el Sur, presento una velocidad baja de 0.77 m/s ¿Fue la velocidad mínima registrada o disminuyo en esa proporción? Para el mes de agosto la dirección del viento se concentró de nuevo hacia la dirección Oeste Sur. Sin embargo a pesar que se esperaba para este caso, que existiera un incremento en la velocidad y presencia de corrientes de viento en especial para este mes, conocido popularmente en el país como el mes de los vientos, no fue así. Obteniendo como dato importa en este estudio que los meses en donde se registró las corrientes de vientos que llegan a ser más favorables por su velocidad se registraron en los meses de Junio y Julio.
Figura 1. Rosa de los vientos Universidad Santo Tomás Tunja – Sede Campus. Fuente: Autor.
De forma general se obtiene la representación gráfica en la Figura 1 y la Figura 2 de la velocidad y dirección del viento en promedio de los datos obtenidos para los cuatro meses:
Figura 2. Promedio de la dirección del viento para la Universidad Santo Tomás Tunja – Sede Campus. Fuente: Autor
B) Estación Meteorológica Alto de Soracá
La estación meteorológica que se ubica en el alto de Soracá, el estudio se realiza durante los meses de mayo a agosto del año 2012. Para el mes de mayo se observa una dirección del viento en sentido sur oeste con mayor tendencia hacia el sur en sentido de levógiro, donde la mayor velocidad alcanzada se encuentra entre 4 y 5 m/s.
Durante el mes de junio se obtuvo un patrón de viento caracterizado por una velocidad máxima cercana a las 5 m/s, predominando la dirección sur oeste en sentido levógiro. En el mes de julio el comportamiento estuvo determinado por una velocidad máxima cercana a los 5 m/s y de la misma manera que en los meses anteriores predomino una dirección en levógiro del suroeste.
El mes de agosto al igual que en los anteriores meses la velocidad máxima se registró entre los 4 a 5 m/s presentando la misma dirección hacia el sur oeste.
La rosa de los vientos para los meses de mayo a agosto presenta un patrón de velocidad máxima comprendida entre 4 y 5 m/s, de igual manera como se especificó anteriormente la dirección del viento es sur oeste en sentido levógiro.
Figura 3. Rosa de los vientos estación meteorológica del Municipio de Soracá. Fuente: Autor.
De forma general se obtiene la representación gráfica de la velocidad y dirección del viento en promedio de los datos obtenidos para los cuatro meses como se presenta en la Figura 3 y la Figura 4
Figura 4. Promedio de la dirección del viento para el Municipio de Soracá Fuente: Autor
C) Estación Meteorológica Salida a Villa de Leyva
El comportamiento de la rosa de los vientos determinada para la estación meteorológica ubicada en la salida a Villa de Leyva describe una tendencia marcada del flujo de viento en la dirección Noroeste con mayor inclinación hacia el oeste para los meses de Mayo a Agosto.
A continuación se presenta el análisis de la rosa de los vientos correspondiente para cada mes determinando las diferentes variaciones en los registros de la velocidad del viento. Para todos los casos se encuentra en un rango que va desde los 0 m/s hasta los 4m/s.
Para los datos registrados en el mes de mayo tiene una velocidad máxima dentro de un intervalo entre los 3m/s y los 4m/s en el punto máximo observado.
El mes de Junio, la rosa de los vientos señala una velocidad máxima de 4m/s.
En el mes de Julio la g velocidad máxima alcanzada también es de 4m/s.
Los datos de velocidad y dirección de viento registrados por la estación meteorológica ubicada en la salida a Villa de Leyva presentan una velocidad máxima de 4m/s. A continuación en la Figura 5 se presenta la rosa de los vientos para cada mes observando los diferentes cambios para estos en lo relacionado a la velocidad y dirección del viento registrado en para cada uno de los meses estudiados.
Figura 5. Rosa de los vientos estación meteorológica del Municipio de Villa de Leyva. Fuente: Autor.
De forma general se obtiene la en la Figura 6 la representación gráfica de la rosa de los vientos promedio de los datos obtenidos durante los cuatro meses registrados
Figura 6. Rosa de los vientos promedio de los datos de los meses. Fuente: Autor.
Finalmente se tiene que la tendencia de los vientos en la salida a Villa de Leyva presenta una dirección Noroeste con inclinación hacia el oeste y una velocidad aproximada de 4m/s.
CONCLUSIONES
Actualmente es posible encontrar en nuestro entorno diversas fuerzas naturales capaces de generar energía, sin
embargo para poder hacer uso de la misma es necesario recurrir a dispositivos tecnológicos.
No todas las fuentes renovables han logrado evolucionar de la misma forma, en el área de la energía hidráulica el progreso es muy lento en comparación con la energía solar y la energía eólica.
La rosa de los vientos es un método gráfico que permite observar el comportamiento del viento en un lugar determinado, esta se obtiene por medio de datos capturados del mismo en un plano el cual divide en grados una circunferencia representando respectivamente las coordenadas geográficas y de esta forma se puede establecer la tendencia del viento y la velocidad del mismo.
La dirección del viento que presenta un mayor dominio con base en los tres puntos tomados como referencia en cada una de las zonas de estudio, presentan una tendencia hacia el tercer cuadrante de las coordenadas geográficas. Es decir que el flujo de corrientes de viento está encaminado con una predisposición mayor hacia la parte Noroeste.
Es posible concluir que el patrón de la velocidad del viento tanto para el alto o de Soracá como para la salida a Villa de Leyva presentan magnitudes similares pues se encontraron valores que tuvieron una predominancia entre un rango de 4 m/s a 5 m/s. Sin embargo en el campus de la Universidad Santo Tomás de la ciudad de Tunja la velocidad del viento registrada es muy baja en comparación con las otras zonas de estudio.
Los datos obtenidos permiten determinar que la implementación de un aerogenerador presenta una mayor viabilidad para el alto de Soracá debido a los altos valores de velocidad que se registraron en comparación con las otras dos zonas analizadas, dado que lo que se busca es convertir las corrientes de viento en energía eléctrica limpia que se ve influenciada por la velocidad del mismo, ya que entre mayor sea dicha magnitud, mayor velocidad adquirirán las aspas del aerogenerador.
Los meses de mayor potencial de energía eólica corresponde a los meses de Junio y Julio y no coincide con el mes de Agosto donde se esperaba tener el registro de las velocidades de viento más altas.
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AUTORES
María Fernanda Raigoso Rojas, nació el 16 de Julio de 1993 en Tunja (Boyacá), estudió en el Colegio Boyacá de Tunja., a partir del cual posee el título de bachiller académico. Actualmente cursa quinto semestre de Ingeniería Electrónica en la Universidad Santo Tomás, seccional Tunja. Integrante del grupo de investigación EICIT de la Facultad de Ingeniería Electrónica en la Universidad Santo Tomás de Tunja.
Adriana del Pilar Velosa Gaona, nació el 2 de Julio de 1994 en Tunja (Boyacá), estudió en el Colegio los Ángeles de Tunja., a partir del cual posee el título de bachiller académico. Actualmente cursa quinto semestre de Ingeniería Electrónica en la Universidad Santo Tomás, seccional Tunja. Integrante del grupo de investigación EICIT de la Facultad de Ingeniería Electrónica en la Universidad Santo Tomás de Tunja.
Andrea Marcela Castro Castillo, nació el 15 de Julio de 1994 en Tunja (Boyacá), estudió en el Colegio de la Presentación de Tunja., a partir del cual posee el título de bachiller académico. Actualmente cursa quinto semestre de Ingeniería Electrónica en la Universidad Santo Tomás, seccional Tunja. Integrante del grupo de investigación EICIT de la Facultad de Ingeniería Electrónica en la Universidad Santo Tomás de Tunja.
William Fernando Álvarez Castañeda, Ingeniero electrónico egresado de la Universidad Santo Tomás, especialista en instrumentación electrónica, Actualmente es docente de la facultad de ingeniería electrónica en la universidad Santo Tomás de Tunja, coordinador del semillero de investigación de robótica lego y director del grupo de energías alternativas de la facultad, está finalizando estudios de Maestría en Ingeniería, Énfasis en energías alternativas en la Universidad Libre de Bogotá. Integrante del grupo de investigación EICIT de la Facultad de Ingeniería Electrónica en la Universidad Santo Tomás de Tunja.
Fecha Recepción: Octubre 2012 Fecha Aprobación: Mayo 2013
