Publicación técnica 06 · Energía del viento y del agua en Boyacá

Sistemas de energía del viento y del agua

Desarrollo de sistemas eólicos de baja altura e hidráulicos de pequeña escala inspirados en molinos, ruedas y mecanismos tradicionales. Cada solución se dimensiona para una demanda definida mediante memoria territorial, mapas, series históricas, medición en campo, cálculo, pruebas y evaluación ambiental.

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Mecanismo tradicional para aprovechar la fuerza del viento
Figura 1. Recuperar principios tradicionales no significa copiarlos: significa comprenderlos, medirlos y rediseñarlos para el lugar.

La escala nace de la necesidad y del territorio

No se propone una “granja” con numerosos equipos. Se diseña uno o el número mínimo de módulos necesarios para prestar un servicio local, siempre que el recurso, la seguridad, el ambiente y el costo lo permitan.

Capítulos

  1. Propósito, servicio y escala.
  2. Memoria territorial y conocimientos locales.
  3. Cartografía, historia y preselección.
  4. Campaña de medición en campo.
  5. Caracterización del viento.
  6. Caracterización del agua.
  7. Demanda y arquitectura del sistema.
  8. Diseño aerodinámico e hidráulico.
  9. Madera, materiales y ciclo de vida.
  10. Estructura, fatiga y seguridad.
  11. Ambiente, comunidad y permisos.
  12. Prototipo, instrumentación y pruebas.
  13. Operación, verificación y escalamiento.

¿Qué servicio debe prestar?

El proyecto comienza por la necesidad: electricidad, bombeo, molienda, aireación, accionamiento mecánico o respaldo de una carga concreta. La fuente y el mecanismo se eligen después.

ServicioDatos mínimosResultado de diseño
ElectricidadPotencia, energía diaria, horario y calidad requeridaGenerador, electrónica, red o almacenamiento
BombeoVolumen diario, altura, distancia y horarioBomba, transmisión y depósito
Acción mecánicaPar, velocidad y ciclo de trabajoEje, transmisión, carga y protección
RespaldoCargas críticas y autonomíaCombinación de fuentes y estrategia de operación
Edemanda = Σ(Pi · ti · fi)
Puerta de decisión 1: no se define rotor, rueda, altura ni potencia nominal antes de conocer la demanda horaria y la calidad del servicio que debe garantizarse.

Aprender de los usos históricos

Molinos, ruedas, norias, canales, acequias, bombas y mecanismos rurales contienen conocimiento sobre temporadas, direcciones del viento, crecientes, sequías, mantenimiento y materiales disponibles. Ese conocimiento orienta preguntas y puntos de medición; no sustituye la verificación.

1Escuchar

Conversar con habitantes, molineros, agricultores, mayores y usuarios del agua.

2Recorrer

Ubicar estructuras antiguas, corredores de viento, nacimientos, canales y cambios del paisaje.

3Contrastar

Comparar relatos, fotografías y calendarios con mapas, estaciones y mediciones actuales.

Archivo territorial

  • Nombres locales de vientos, corrientes y temporadas.
  • Usos tradicionales y servicios que prestaban.
  • Fechas de crecientes, sequías, vendavales y daños.
  • Cambios de cobertura, cauces, construcciones y obstáculos.
  • Personas y comunidades que aportaron el conocimiento.
Reconocimiento: la memoria y los saberes se documentan con consentimiento, atribución y respeto por la información que la comunidad decida reservar.

Mapas y series históricas

El Atlas del Viento del IDEAM y el Atlas de Potencial Hidroenergético de la UPME permiten identificar zonas de interés. Son herramientas de preselección; la resolución del mapa no describe necesariamente la turbulencia, el caudal o la altura aprovechable en un punto específico. [1] [2]

CapaVientoAgua
RecursoVelocidad, dirección, estacionalidad y extremosCaudal, nivel, precipitación, sequía y creciente
TerrenoElevación, pendiente, rugosidad y obstáculosCuenca, pendiente, cauce, erosión y sedimentos
AmbienteAves, murciélagos, coberturas y áreas sensiblesCaudal ecológico, peces, conectividad y calidad
SociedadViviendas, paisaje, ruido, accesos y patrimonioUsuarios, acueductos, riego, pesca y sitios culturales
InfraestructuraCarga, red, caminos y telecomunicacionesTomas existentes, canales, puentes y red
Puerta de decisión 3: descartar tempranamente lugares con incompatibilidad ambiental, social, jurídica o de seguridad antes de invertir en una campaña extensa.

Medir en el terreno

La campaña debe representar la ubicación y altura reales del dispositivo, documentar incertidumbre y relacionarse con series históricas de mayor duración. Las guías técnicas prefieren datos medidos en sitio para sistemas eólicos pequeños y prácticas hidrológicas trazables. [3] [4]

RecursoInstrumentos mínimosDatos complementarios
VientoAnemómetro, veleta, registrador y soportes niveladosTemperatura, presión, segundo nivel de medición y sensor de control
AguaRegla limnimétrica o nivel, método de velocidad y levantamiento de desnivelPluviómetro, presión, temperatura, turbidez, conductividad y sedimentos
TerrenoGNSS, nivel topográfico, distanciómetro y registro fotográficoDron o estación total cuando el alcance y permisos lo justifiquen
DemandaMedidor de energía, potencia o caudal según el servicioRegistro horario de uso, fallas y estacionalidad

Control de calidad

  • Identificación, modelo, serie, rango y certificado de calibración.
  • Coordenadas, altura, orientación, obstáculos y fotografías.
  • Intervalo de muestreo, reloj sincronizado y respaldo.
  • Inspecciones, limpieza, cambios de sensor y datos faltantes.
  • Reglas documentadas de validación y estimación de incertidumbre.

Distribución, dirección y turbulencia

Una velocidad media no basta. El equipo de baja altura trabaja dentro de una capa muy influida por árboles, edificaciones, relieve y cambios de rugosidad; deben estudiarse distribución, dirección, ráfagas, cizalladura y turbulencia.

Pviento = ½ · ρ · A · v³
Protor = ½ · ρ · A · v³ · Cp
It = σv / v̄

La intensidad de turbulencia relaciona la desviación estándar con la velocidad media en un intervalo definido. Debido a la dependencia cúbica de la potencia disponible, los cálculos energéticos deben integrar la distribución de velocidades y la curva medida o validada del rotor.

Productos del estudio

  • Rosa de frecuencias y rosa energética por temporada.
  • Distribución de velocidad, calmas y eventos extremos.
  • Turbulencia y cizalladura entre alturas medidas.
  • Mapa de obstáculos y zonas de recirculación.
  • Estimación de energía con pérdidas e incertidumbre.
Baja altura: es una condición de diseño, no una garantía de buen desempeño. El equipo solo se selecciona si la medición demuestra que el recurso útil y las cargas turbulentas son compatibles con la demanda y la vida estructural.

Caudal, altura neta y temporadas

La potencia hidráulica depende simultáneamente del caudal aprovechable y de la altura neta. Ambos cambian con la temporada, los usos aguas arriba y las pérdidas del sistema.

Phid = ρ · g · Q · Hneta · ηtotal
Hneta = Hbruta − hpérdidas
VariableMétodoPrecaución
Caudal QÁrea–velocidad, estructura aforadora o instrumento acústico según sitioMedir varias condiciones y documentar incertidumbre
AlturaNivelación topográfica o presión corregidaNo confundir desnivel geométrico con altura neta
PérdidasLongitud, diámetro, rugosidad, accesorios y velocidadIncluir toma, conducción, transmisión y descarga
VariaciónCurva de duración de caudales y serie históricaProteger caudal ambiental y derechos de otros usuarios
SedimentosObservación y muestreo por temporadaAbrasión, obstrucción y mantenimiento
Puerta de decisión 6: el caudal de diseño no es el máximo observado. Se selecciona considerando disponibilidad temporal, concesión, caudal ecológico, otros usuarios, crecientes, sequías y continuidad del servicio.

Viento, agua o sistema combinado

Las dos fuentes no tienen que instalarse juntas. Se comparan por separado y solo se integran cuando sus perfiles se complementan y el servicio justifica la complejidad.

Ebalance(t) = Eviento(t) + Eagua(t) + Eotra(t) − Edemanda(t) − Epérdidas(t)
AlternativaAplicación posibleCondición
Mecánica directaBombeo, molienda o aireaciónVelocidad y par compatibles con la carga
Eléctrica aisladaCargas locales y almacenamientoBalance horario, protecciones y autonomía
ConectadaAutoconsumo e intercambioEstudio eléctrico y requisitos del operador
HíbridaContinuidad con fuentes complementariasControl coordinado y beneficio demostrado
Puerta de decisión 7: se selecciona el sistema de menor complejidad capaz de cumplir la demanda. Añadir fuentes, baterías o electrónica sin necesidad comprobada aumenta materiales, fallas y mantenimiento.

Rotor, rueda y transmisión

Los principios tradicionales se traducen en geometrías verificables. El diseño relaciona fuerza, par, velocidad de rotación y rendimiento con la carga que debe accionarse.

Peje = T · ω
λ = ω · R / v

T es el par, ω la velocidad angular y λ la relación de velocidad de punta para el rotor eólico. En el sistema hidráulico se selecciona rueda o turbina según caudal, altura, velocidad, sedimentos y protección de fauna.

SubsistemaVariablesValidación
CaptadorGeometría, área, ángulo, velocidad y cargasModelo, simulación y ensayo
Eje y apoyosPar, flexión, velocidad crítica y rodamientosCálculo y prueba térmica/vibratoria
TransmisiónRelación, pérdidas, alineación y protecciónRendimiento y desgaste
Generador o cargaCurva par–velocidad y potenciaAcoplamiento en todo el rango
ControlArranque, parada, sobrevelocidad y carga de desvíoPrueba de fallas seguras

Reducir plásticos con criterio de ciclo de vida

Las aspas convencionales suelen emplear compuestos reforzados difíciles de reciclar. El proyecto estudia madera seleccionada y protegida para componentes de escala pequeña, buscando reducir materiales plásticos y facilitar reparación y fin de vida. La ventaja debe demostrarse por servicio prestado, no solo por masa de material. [5]

CriterioMadera y protecciónVerificación
ProcedenciaEspecie identificada y origen legal/trazableDensidad, dirección de fibra, defectos y humedad
DurabilidadTratamiento compatible con exposición y usoRetención, penetración, sellado y mantenimiento
EstructuraLaminación, uniones y orientación de fibrasResistencia, rigidez, balance y variabilidad
AmbienteMenor contenido plástico cuando sea viableToxicidad del preservante, emisiones y fin de vida
ReparaciónPiezas inspeccionables y reemplazablesProcedimiento y disponibilidad local
Iciclo de vida = Σ(Imateria + Ifabricación + Itransporte + Iuso + Ifin de vida)
Precisión técnica: el tratamiento de la madera ayuda a controlar humedad, hongos o insectos según el sistema empleado; no elimina la fatiga mecánica. Adhesivos, recubrimientos y preservantes también deben incluirse en la evaluación ambiental.

Cargas, fatiga y estados de falla

La baja altura no elimina ráfagas, turbulencia, crecientes, objetos transportados por el agua ni cargas cíclicas. La filosofía de diseño para pequeñas turbinas exige integridad de todos los subsistemas, instalación, mantenimiento y operación. [6]

σflexión = M · c / I
Dfatiga = Σ(ni / Ni)

La suma de daño de Miner es una aproximación que requiere espectro de cargas y curvas de fatiga válidas para el material, uniones, humedad y fabricación reales. No reemplaza ensayos ni factores de seguridad normativos.

Casos de carga

  • Operación normal, arranque, parada y pérdida de carga.
  • Ráfaga, cambio de dirección, sobrevelocidad y tormenta.
  • Desbalance, vibración, frenado y fallo de control.
  • Creciente, sedimentos, residuos flotantes y obstrucción.
  • Fatiga de aspas, eje, uniones, torre, rueda y cimentación.
  • Transporte, montaje, mantenimiento e intervención humana.
Puerta de decisión 10: ningún prototipo opera cerca de personas, animales, viviendas o cauces sin protecciones, distancias, parada segura, análisis de riesgos y pruebas estructurales proporcionales al peligro.

Ambiente, comunidad y permisos

Un sistema pequeño puede producir impactos relevantes si ocupa un cauce, altera el flujo, afecta fauna, introduce ruido o cambia el paisaje. En Colombia, el uso del agua y las obras en cauce pueden requerir concesión y permiso ante la autoridad ambiental competente. [7] [8]

ComponenteEvaluaciónMedida
AguaCaudal ecológico, conectividad, sedimentos y calidadEvitar barreras, garantizar flujo y diseñar toma/retorno
FaunaAves, murciélagos, peces y otras especiesMicrolocalización, velocidad, rejillas y parada cuando aplique
PersonasRuido, sombra, seguridad, acceso y paisajeAcuerdos, distancias, cerramiento y señalización
PatrimonioEstructuras antiguas, caminos y lugares significativosConservar, documentar y acordar intervención
DerechosPropiedad, agua, servidumbres y usos productivosConsentimiento, permisos y reglas de reparto
Puerta de decisión 11: disponer de viento o agua en un predio no equivale a tener autorización para aprovecharlos o construir. Se verifica ordenamiento, autoridad competente, red eléctrica, aviación y demás requisitos aplicables.

Construir para medir y aprender

El prototipo instrumentado debe demostrar conversión, estabilidad, seguridad, durabilidad y facilidad de mantenimiento antes de replicarse.

1Banco

Probar material, uniones, transmisión, generador, freno y control sin exposición pública.

2Campo controlado

Operar con límites conservadores, instrumentación y exclusión física.

3Validación

Comparar energía y servicio medidos con el modelo y revisar fallas.

MediciónVientoAgua
EntradaVelocidad, dirección, densidad y turbulenciaCaudal, niveles, altura neta y sedimentos
Mecánicarpm, par, vibración, deformación y temperaturarpm, par, vibración, presión y temperatura
SalidaPotencia, energía, tensión, corriente o servicio mecánicoPotencia, energía, tensión, corriente o servicio mecánico
EstadoHumedad de madera, fisuras, uniones y recubrimientoDesgaste, corrosión, obstrucción, madera y apoyos
ηmedida = Pútil medida / Precurso medida

Operar, verificar y escalar

La aceptación se basa en el servicio entregado durante temporadas representativas, no en la potencia máxima observada. El número de módulos se decide después de validar uno.

FC = Ereal / (Pnominal · Δt)
Disponibilidad = toperable / trequerido
IndicadorUnidadDecisión
Servicio cubierto% de energía, agua o trabajo requeridoCumplimiento de la necesidad
Energía netakWh por periodoComparación con modelo
Disponibilidad%Confiabilidad
Mantenimientohoras y costoOperabilidad local
Materialeskg por componente y reposiciónCircularidad y fin de vida
Incidentesnúmero, causa y cierreMejora de seguridad

Entregable integral

  • Memoria territorial, mapas y restricciones.
  • Base de datos y reporte de campaña de medición.
  • Curvas de recurso, demanda y energía esperada.
  • Planos, cálculos, materiales y evaluación de ciclo de vida.
  • Análisis de riesgos, permisos y plan ambiental.
  • Protocolo de fabricación, pruebas y control de calidad.
  • Manual de operación, mantenimiento y fin de vida.
  • Informe de validación y criterio de replicación.
Escalamiento responsable: se añade capacidad solo cuando la medición confirma una demanda no cubierta, recurso suficiente y ausencia de impactos inaceptables. El objetivo no es multiplicar equipos, sino resolver el servicio con la menor intervención necesaria.

Referencias consultadas

  1. IDEAM. Meteorología y Atlas del Viento de Colombia.
  2. UPME. Atlas del Potencial Hidroenergético de Colombia.
  3. U.S. Department of Energy, WINDExchange. Small Wind Guidebook.
  4. Organización Meteorológica Mundial. Guide to Hydrological Practices.
  5. Cooperman, A., Eberle, A. y Lantz, E. (2021). Wind turbine blade material in the United States: quantities, costs, and end-of-life options. Resources, Conservation and Recycling, 168.
  6. International Electrotechnical Commission. IEC 61400-2:2013 — Small wind turbines.
  7. Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible. Uso y aprovechamiento del agua.
  8. ANLA. Permiso de ocupación de cauces, playas y lechos.

Las ecuaciones orientan la ingeniería conceptual. Los coeficientes, propiedades de la madera, tratamientos, cargas, eficiencias y factores de seguridad deben provenir de la documentación del prototipo, ensayos, normas vigentes y condiciones medidas en cada sitio.

Esta publicación contiene únicamente información autorizada para divulgación pública. Los resultados detallados, datos operativos, análisis económicos y demás información estratégica del proyecto son confidenciales.