Meu SciELO
Serviços customizadosServiços Personalizados
Artigo
texto em 
Inglês (pdf)
Artigo em XML
Referências do artigo
Enviar este artigo por emailIndicadores
-
Citado por SciELO
Links relacionados
-
Similares em
SciELO
Compartilhar
Permalink
Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias
versão On-line ISSN 2071-0054
Rev Cie Téc Agr vol.28 no.4 San José de las Lajas oct.-dez. 2019 Epub 01-Dez-2019
ARTÍCULO ORIGINAL
Caracterización de la velocidad del viento para el diseño de un sistema de riego por aspersión con bombeo eólico
IUniversidad de Ciego de Ávila (UNICA), municipio y provincia Ciego de Ávila, Cuba.
IIEmpresa Agropecuaria Arnaldo Ramírez, MINAG, Primeo de Enero, Ciego de Ávila, Cuba.
La investigación se desarrolló en la finca "La Cuchilla", localizada en la comunidad de Sabicú en el municipio Primero de Enero, provincia Ciego de Ávila con el objetivo de caracterizar la velocidad del viento para el diseño de un sistema de riego por aspersión con bombeo eólico. Los resultados demostraron que el valor de la velocidad media mensual en la serie obtenida en la estación meteorológica Camilo Cienfuegos fue superior a 5,50 m s-1 en todos los meses del año, excepto en septiembre y octubre que estuvo entre 3,00 y 3,50 m s-1. La mayor frecuencia del viento correspondió al rango de 0-6 m s-1 que representa el 72,39%. La velocidad del viento en la finca "La Cuchilla" alcanzó un valor medio aritmético de 9,53 m s-1, y un valor medio ponderado de 11,25 m s-1, según la frecuencia del viento en los meses de enero, febrero y marzo. El bombeo eólico aportó caudales entre 0,06 y 0,77 L s-1, lo que permitió almacenar un volumen diario total de 17640 L en los meses de enero, febrero y marzo.
Palabras-clave: Energía renovable; irrigación; caudal; frecuencia
INTRODUCCIÓN
La energía eólica es la que se obtiene del viento, es decir, la energía cinética generada por efecto de las corrientes de aire, y que es transformada en otras formas de energía útiles para las actividades humanas: mecánica, eléctrica (Soler et al., 2015; Blanco et al., 2018). Esta presenta en la actualidad una elevada dinámica de crecimiento; por lo que se ha situado al frente de las energías renovables (Ávila et al., 2010; Brown et al., 2018). Este desarrollo Eolo energético puede ser aprovechado por el continente americano para convertirse en referencia mundial según Hernández et al. (2013; Regueiro y Chávez (2014); en este sentido Cuba, acorde con la política de la Asociación Mundial de Energía Eólica trabaja con pasos firmes en la introducción de fuentes renovables de energías, y en particular la eólica (Moreno, 2008).
El objetivo de esta investigación consiste en caracterizar la velocidad del viento a partir de la información disponible en la estación meteorológica Camilo Cienfuegos y las mediciones realizadas durante tres años, para su posterior utilización en el diseño de un sistema de riego por aspersión con bombeo eólico en el municipio Primero de Enero de la provincia Ciego de Ávila.
MÉTODOS
La investigación se realizó en la finca "La Cuchilla", localizada en la comunidad de Sabicú en el municipio Primero de Enero de la provincia Ciego de Ávila, entre las coordenadas 21°52´ de Latitud Norte y 78°18´ de Longitud Oeste, con una superficie de 7,5 hectáreas donde se desarrollan diferentes cultivos como tomate, ajo, frijoles, maíz, yuca, plátano, limón, mango, coco y otros (Figura 1).
La investigación analizó una serie de velocidad del viento horaria, medida de forma sistemática en la estación meteorológica Camilo Cienfuegos que es la más cercana al municipio Primero de Enero. El horario de medición fue a las 1:00 am, 4:00 am, 7:00 am, 10:00 am, 1:00 pm, 4:00 pm, 7:00 pm y 10:00 pm (UTC) en el periodo comprendido entre los años 2013 al 2017; pudiéndose contar con un total de 14375 datos proporcionado por el Centro Meteorológico Provincial (Benedico, 2017).
La homogeneidad de la serie se comprobó mediante la prueba de hipótesis a través del test “F” de Fisher para varianzas de dos submuestras (González et al., 2007, 2014). La submuestra A se conformó con los datos del 1 al 7188 y la submuestra B a partir del dato 7189 hasta el 14375.
Se formuló la hipótesis de nulidad (H 0 ) y la alternativa (H 1 ) de modo que si el estadígrafo test “F” de Fisher calculado (F) es mayor que su valor critico (F c ) se toma la decisión de rechazar H 0 y aceptar H 1 ; demostrándose que las submuestras comparadas difieren estadísticamente.
En el área experimental se realizaron seis lecturas diarias a las 7:0 am; 10:00 am; 1:00 pm; 4:00 pm; 7:00 pm y 10:00 pm con el uso de un anemómetro integral de cazoletas calibrado de la marca ΓOCT 7193-74 M/C y precisión de ±0,10 m s-1 colocado a una altura de 10 m. Las lecturas se efectuaron dos veces por semanas desde el año 2016 al 2018 en los meses de enero, febrero y marzo por ser el periodo en que se estudiaron los cultivos de tomate y ajo. Estas evaluaciones conformaron otra serie de datos con un total de 432 observaciones.
En ambas serie de velocidad del viento, el comportamiento mensual y horario de la variable se determinó mediante el análisis descriptivo y frecuencial de los datos de Serrano (2013), con el empleo del software Statistical Package for the Social Sciences (SPSS), muy empleado en este tipo de análisis (Sandoval et al., 2017). Los vientos se clasificaron acorde con el valor de la velocidad según la Escala de Beaufort acorde López et al. (2008) en: vientos débiles (0,0-3,0 m s-1); vientos moderados (4,0-7,0 m s-1) y vientos fuertes (> 8,0 m s-1).
El caudal descargado por el molino multipala de la marca SAMSON 1888 PAT. D se determinó mediante el aforo volumétrico según Rázuri et al. (2009; Assan et al. (2016), para diferentes velocidades del viento. La aerobomba utilizada es de desplazamiento positivo y presenta las siguientes características técnicas: altura de la torre (H tor ) 10 m; diámetro del rotor (D rot ) 2,52 m; número de palas (N pal ) 15; diámetro del cilindro de la bomba (D B ) 80 mm; longitud de la carrera (S) 180 mm y velocidad de arranque (v arr ) 2,5 m s-1 (Figura 2).
El volumen medio diario de agua que extrae la bomba eólica se estimó en función de los resultados experimentales de la velocidad del viento, la frecuencia y su relación con el caudal medio descargado según los datos del aforo. La ecuación empleada fue la siguiente:
Donde V m es el volumen diario medio de agua que extrae la bomba eólica (m3); Q m el caudal medio de la bomba eólica según los datos del aforo (m3 s-1); T B el tiempo de bombeo según la frecuencia relativa de la variable (s); F r la frecuencia relativa de la velocidad del viento en los rangos evaluados (adim.).
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Comportamiento de la homogeneidad de la serie de precipitaciones
En la Tabla 1 se presentan los resultados de la prueba de homogeneidad a partir de la serie de velocidad del viento obtenida en la estación meteorológica Camilo Cienfuegos. Se demostró estadísticamente que la serie es consistente y homogénea; puesto que el estadígrafo calculado (F) con valor de 1,14 es menor que su valor crítico (F c ) con valor de 1,28; por lo que se rechaza la hipótesis alternativa y se acepta la hipótesis de nulidad.
Análisis descriptivo de la velocidad del viento
El análisis descriptivo de la serie velocidad del viento en la estación meteorológica Camilo Cienfuegos determinó que en el periodo de tiempo analizado, la variable velocidad del viento presentó las características siguientes (Tabla 2): media de 5,02 m s-1, mediana de 2,00 m s-1, desviación estándar de 6,10 m s-1, valor mínimo de 0,00 m s-1 y valor máximo de 36,00 m s-1.
Análisis de la velocidad del viento en la estación meteorológica Camilo Cienfuegos
En la Figura 3 se muestra el comportamiento de la velocidad media mensual con valores superiores a 5,50 m s-1 en todos los meses del año, excepto en los meses de septiembre y octubre que alcanzaron valores entre 3,00 y 3,50 m s-1. Estos resultados concuerdan con los reportados por Soler et al. (2015) en estudios realizados para la caracterización del viento en la Isla de la Juventud donde se encontraron valores superiores a 4,0 m s-1 en el periodo entre las 09:00 y 16:00 horas y de 5,31 m s-1 a las 13:00 horas.
En la Figura 4 se exponen los resultados de la frecuencia de la velocidad del viento en correspondencia con los intervalos establecidos. Se pudo comprobar que la mayor frecuencia ocurre para velocidades comprendidas entre 0-2 m s-1 con el 55,28%, seguido por las velocidades de 2-6 y 6-10 m s-1 con 17,11 y 14,20% respectivamente. La frecuencia en el resto de las velocidades fue inferior a 5,72%. Estos valores son de gran importancia para la estimación probabilistica de la cantidad de horas disponible para el bombeo de agua con el molino multipala durante las 24 horas del día.
Análisis de la velocidad del viento en la finca "La Cuchilla"
La distribución de frecuencia de la velocidad del viento medida en la finca "La Cuchilla" durante los meses de enero, febrero y marzo se presenta en la Tabla 3 para diferentes intervalos de la variable en los años 2016, 2017 y 2018. En este estudio se alcanzó una media aritmética de 9,53 m s-1, desviación estándar de 3,78 m s-1, valor mínimo de 2,05 m s-1 y valor máximo de 22,12 m s-1. El valor de la velocidad media ponderada del viento considerando la frecuencia correspondiente a cada intervalo de velocidad fue de 11,25 m s-1. Estos resultados demuestran según López et al. (2008) que que se trata de una zona de vientos fuertes y no se observaron período de vientos en calma, lo que favorece la labor de la aerobomba en la extracción de agua para el riego.
TABLA 3 Distribución de frecuencia de la velocidad del viento
| Velocidad del viento (m s-1) | Frecuencia relativa (%) | |||
|---|---|---|---|---|
| 2016 | 2017 | 2018 | Promedio (m s-1) | |
| 0 - 3 | 2,53 | 9,60 | 5,37 | 5,83 |
| 4 - 6 | 13,64 | 19,70 | 15,39 | 16,24 |
| 7 - 9 | 21,21 | 18,69 | 20,52 | 20,14 |
| 10 - 14 | 26,26 | 34,34 | 32,6 | 31,07 |
| 15 - 18 | 22,73 | 14,14 | 16,22 | 17,70 |
| 19 - 22 | 11,62 | 3,03 | 7,28 | 7,31 |
| 23 - 26 | 1,52 | 0,51 | 1,14 | 1,06 |
| 27 - 30 | 0,51 | 0,00 | 1,48 | 0,66 |
| Promedio (m s-1) | 10,91 | 9,14 | 8,55 | 9,53 |
| Desviación estándar (m s-1) | 4,10 | 3,94 | 3,29 | 3,78 |
| Mínimo (m s-1) | 2.08 | 2,00 | 2,10 | 2,05 |
| Máximo (m s-1) | 20,12 | 22,23 | 24,00 | 22,12 |
En la Figura 5 se ofrecen los resultados de la velocidad media horaria del viento en los meses de enero a marzo. Se demostró que durante las veinticuatro horas del día los vientos son aprovechables en un 92,22% para el bombeo de agua; aunque las mayores extracciones se logran entre las 10:00 y las 19:00 horas. Este comportamiento es similar al expuesto por Galán et al. (2015) en estudios estadístico de la velocidad del viento realizado en Mazatlán, Sinaloa en México.
Los resultados del aforo volumétrico del caudal extraído por la bomba eólica en función de la velocidad del viento se muestran en la Figura 6, donde se comprueba que este adquiere valores de 0,06 a 0,77 L s-1. Esta relación encontró un satisfactorio ajuste al modelo polinomial de segundo orden con un coeficiente de determinación de 0,9944.
El estudio de la frecuencia del viento durante cinco años permitieron determinar de forma probabilística el régimen de llenado del tanque de almacenamiento (Tabla 4). Este resultado indica que en un tiempo de 24 horas es posible almacenar en los meses de enero, febrero y marzo un volumen total de 17640 L de agua para su utilización en el sistema de riego. El mayor tiempo de funcionamiento de la aerobomba fue de 12,66 horas en el rango de velocidades de 0-3 m s-1; seguido de 4-6 m s-1 y 7-10 m s-1 con un tiempo de bombeo de cuatro horas en ambos casos.
TABLA 4 Volumen de agua bombeada en función de la velocidad y la frecuencia del viento
| Velocidad (m s-1) |
|
|
|
|
|---|---|---|---|---|
| 0 - 3 | 0,53 | 12,66 | 0,09 | 4,20 |
| 4 - 6 | 0,17 | 4,11 | 0,17 | 2,48 |
| 7 - 10 | 0,15 | 3,51 | 0,28 | 3,60 |
| 11 - 14 | 0,05 | 1,19 | 0,42 | 1,79 |
| 15 - 18 | 0,07 | 1,61 | 0,55 | 3,20 |
| 19 - 22 | 0,03 | 0,65 | 0,69 | 1,61 |
| 23 - 30 | 0,01 | 0,28 | 0,75 | 0,77 |
| Total | 1,00 | 24,00 | 17,64 |
CONLUSIONES
El valor de la velocidad media mensual en la serie analizada fue superior a 5,50 m s-1 en todos los meses del año, excepto en los meses de septiembre y octubre que estuvo comprendida entre 3,00 y 3,50 m s-1.
La mayor frecuencia de ocurrencia de las velocidades del viento correspondió al rango de 0-6 m s-1 con el 72,39%.
La velocidad del viento alcanzó un valor medio aritmético de 9,53 m s-1, y un valor medio ponderado de 11,25 m s-1 , según la frecuencia del viento en los meses de enero, febrero y marzo en la finca "La Cuchilla".
El bombeo eólico aportó caudales entre 0,06 y 0,77 L s-1, lo que permitió almacenar un volumen diario total de 17 640 L en los meses de enero, febrero y marzo.
REFERENCES
ASSAN, M.M.; MARIS, G.S.; DEMIN, P.; DELGADO, E.: “Técnicas de medición de caudales en cauces abiertos”, Revista de Divulgación Técnica, 63: 1-13, 2016, ISSN: 1852-7086. [ Links ]
ÁVILA, P.D.; ALESANCO, G.R.; GARCÍA, G.F.: “Coste del kWh eólico generado en Cuba, a partir de datos de viento de una región de buenos potenciales eólicos”, Ingeniería Mecánica, 13(3): 38-45, 2010, ISSN: 1815-5944. [ Links ]
BENEDICO, R.O.A.: “Resumen meteorológico en síntesis, de la influencia del Huracán de Gran Intensidad IRMA sobre la provincia Ciego de Ávila”, Revista Cubana de Meteorología, 23(3): 378-384, 2017, ISSN: 0864-151X. [ Links ]
BLANCO, E.; BROWN, M.O.; MÁRQUEZ, G.R.: “Vulnerabilidad a la intrusión salina y la contaminación en la cuenca sur de Ciego de Ávila”, Ingeniería Hidráulica y Ambiental, 34(1): 43-57, 2018, ISSN: 1680-0338. [ Links ]
BROWN, M.O.; MÉNDEZ, J.N.; BERNAL, E.M.: “Evaluation of a Micro Irrigation System Powered by Wind Energy”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 27(1): 13-21, 2018, ISSN: 1010-2760, e-ISSN: 2071-0054. [ Links ]
GALÁN, N.; OROZCO, E.; MEJIAS, N.; MELLADO, C.: “Análisis Estadístico de la Velocidad del Viento en Mazatlán Sinaloa”, Revista de Análisis Cuantitativo y Estadístico, 2(4): 288-294, 2015, ISSN: 2410-3438. [ Links ]
GONZÁLEZ, L.; MARRERO, N.; JORGE, M. del C.; MARTÍNEZ, J.: Temas de Hidrología Superficial para Ingenieros, Ed. Félix Varela, La Habana, Cuba, 2007, ISBN: 978-959-07-0310-2. [ Links ]
GONZÁLEZ, S.L.; MARRERO, de L.N.M.; PEDREIRA, J.M.C.; MARTÍNEZ, M.J.B.: Temas de Hidrología Superficial para Ingenieros, Ed. Editorial Universitaria Félix Varela, 2014, ISBN: 959-07-0310-0. [ Links ]
HERNÁNDEZ, O.; MONTAÑO, T.; QUENTIN, E.; MALDONADO, J.; SOLANO, J.: “Homogeneización de series de velocidad del viento mensuales en las estaciones meteorológicas del INAMHI en Loja, Ecuador”, Rev Climatología, 13, 2013. [ Links ]
LÓPEZ, L.J.L.; GONZÁLEZ, G.C.; ZERMEÑO, M.E.; MENDOZA, O.E.; PACHECO, M.J.; ORTIZ, L.J.A.; ARAIZA, G.G.: “Estadística preliminar de los vientos para la zona urbana de Aguascalientes”, Revista Investigación y Ciencia, 16(4): 20-27, 2008, ISSN: 1665-4412. [ Links ]
MORENO, C.: “Cuba en el escenario eólico mundial Reporte sobre la VII Conferencia Mundial de Energía Eólica”, Revista Energía y Tú, 43: 23-24, 2008, ISSN: 1028-9925. [ Links ]
RÁZURI, L.; ROSALES, J.; HERNÁNDEZ, J.: “Formulación de alternativas de uso del agua con base en el balance disponibilidad-demanda en la zona de Santa Rosa, sector La Hechicera del estado Mérida”, Academia, 8(16): 46-64, 2009, ISSN: 1690-3226. [ Links ]
REGUEIRO, F.R.M.; CHAVEZ, A.H.: “El desarrollo eólico en Brasil Ecuador y España: Reflexiones a partir del marco normativo”, Revista de estudios económicos y empresariales, 26: 95-112, 2014, ISSN: 0212-7237. [ Links ]
SANDOVAL, L.M.; JUÁREZ, B.M.I.; BROWN, M.O.; MUJICA, C.A.; BONILLA, R.J.D.; GALLARDO, B.Y.: “Mathematical Models for Flow Estimation in Sutro Weirs Used in Irrigation Systems”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias , 26(3): 30-38, 2017, ISSN: 1010-2760, e-ISSN: 2071-0054. [ Links ]
SERRANO, R.J.C.: “Comparison of methods for determining Weibull parameters for wind energy generation”, Revista Scientia et Technica, 18(2): 315-320, 2013, ISSN: 0122-1701. [ Links ]
SOLER, T.E.; SÁNCHEZ, S.L.M.; BORREGO, D.R.: “Caracterización del viento para evaluar su potencial energético en la Isla de la Juventud”, Revista Ciencias de la Tierra y el Espacio, 16(2): 164-175, 2015, ISSN: 1729-3790. [ Links ]
Recibido: 20 de Diciembre de 2018; Aprobado: 02 de Septiembre de 2019
