EVALUACIÓN DEL RECURSO EÓLICO - Biblioteca Central de la ...biblioteca.uns.edu.pe/saladocentes/archivoz/curzoz/lectura_2... · Naturaleza y causas del viento • En la atmósfera

ENERGIAS RENOVABLES Y DESARROLLOS ALTERNATIVOS

EREDA

EVALUACIÓN DEL RECURSO EÓLICO

ENERGÍAS RENOVABLES Y DESARROLLOS ALTERNATIVOS www.ereda.com 2

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Indice

Naturaleza y causas del viento1

Variaciones del viento 2

Caracterización de valores3

Variación del viento con la altura4

Anemometría y medida del viento6

Efectos locales del viento y circulación general 5

Caracterización de recursos7

Estimación del recurso eólico8

Medición del recurso 9

Evaluación del recurso 10


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Naturaleza y causas del viento

• El viento se genera por el desarrollo de gradientes horizontales de presión, los cuales, en último término son consecuencia de la radiación solar recibida Distinto calentamiento que sufre la Tierra. Es más intenso cerca del Ecuador y durante el día.

• El efecto combinado del desigual calentamiento de la Tierra y de las fuerzas centrífugas yCoriolis (rotación terrestre) da lugar a vientos a escala terráquea, con tendencias más o menos permanentes.

• En las ecuaciones de movimiento interviene un término debido a las Fuerzas de Presión, cuya expresión es:

• El aire se moverá de las zonas de altas presiones a las de bajas presiones El aire se movería perpendicularmente a las isobaras. Sin embargo, sopla de forma paralela.

• Esto es así debido a la Fuerza de Coriolis, perpendicular a la dirección del movimiento, hacia la derecha en el H.N.

PF dP ∇−=rr

ρ1

gra


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• En la atmósfera libre y en situación de equilibrio, la fuerza del gradiente quedará equilibrada con la de Coriolis

• El viento ideal que cumple esta igualdad se denomina VIENTO GEOSTRÓFICOVIENTO GEOSTRÓFICO.

• En el hemisferio norte, para un núcleo de altas presiones (AA) el aire se movería en el sentido de las agujas del reloj, mientras que en bajas presiones (BB), el aire se movería en sentido contrario a las agujas del reloj. Más intenso cuanto mayor sea el gradiente de presión.

• Esto no es totalmente exacto, ya que cerca del suelo el viento forma un cierto ángulo con las isobaras (rozamiento).


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• A una escala menor, el desigual calentamiento de la tierra puede crear brisas a escala local en costas, montañas o valles (brisas de mar, de ladera o de valle).

• A escala local puede haber otros muchos factores que influyen en el viento, p.j. Obstáculos y configuraciones orográficas, que dan lugar a efectos aceleradores (colinas y sistemas montañosos).


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Variaciones del viento. Turbulencia

• El viento tiene una gran variabilidad espacio-temporal. En cuanto a las variaciones temporales las hay con distintas frecuencias, esto es lo que se conoce como espectro del viento para las distintas escalas.

• Existen variaciones anuales, estacionales, mensuales, “semanales”, diarias y variaciones de muy alta frecuencia totalmente aleatorias que es lo que se denomina turbulencia.

• A los efectos de estimación de energía es importante utilizar periodos en los que la energía espectral asociada sea mínima, por lo que hay que considerar un periodo apropiado de tiempo T en el que las fluctuaciones turbulentas aleatorias puedan separarse de las variaciones diarias. Este periodo T está entre las 5 horas y los 10 minutos (periodo en el cual el contenido energético del viento es pequeño).


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Las razones por las que se elige T=10 minutos son las siguientes:• El valle espectral separa claramente variaciones turbulentas de las diarias.• El valor de T=10 min es mucho menor que el de los valores diarios o semidiarios,

de acuerdo con la figura del espectro del viento.• De acuerdo con las figuras anteriores se observa que para valores diarios la línea

es prácticamente continua, mientras que para medias diezminutales, aunque la forma que queda es de escalera pero sin embargo las variaciones son pequeñas respecto al valor instantáneo. En este sentido lo que “perdemos” es la variabilidad del valor medio en función de los valores instantáneos (turbulencia). Esto lo tenemos en cuenta calculando la σvel.

• Hay que tener en cuenta que es importante tener en cuenta la turbulencia (variaciones en el entorno del segundo o menos) pues influyen en el comportamiento de la turbina (mecánica y sistemas de control) y como se ha visto llevan bastante energía asociada (fatigas de componentes).


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Turbulencia atmosférica

• TURBULENCIA ATMOSFERICA• Aspectos a tener en cuenta:

– Genera cargas dinámicas estructurales sobre las aeroturbinas.– Genera variaciones de la potencia suministrada.– Emplazamientos de parques eólicos, atendiendo a la orografía y a la disposición de

los aerogeneradores.

• La turbulencia es irregular No puede ser analizada de un modo determinista, sino mediante sus propiedades estadísticas.

• Representa un índice de la variabilidad de la velocidad del viento.

• Factor de rafagosidad:

UtUtu −= )()( UI u

uσ

=

UU

FR max=


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Caracterización de valores medios

PARÁMETROS REPRESENTATIVOS• Condiciones generales de viento en un emplazamiento ( medias diarias, estacionales,

anuales, etc)• Condiciones meteorológicas (temperatura, presión atmosférica, humedad relativa,

densidad del aire, etc)• Distribución de frecuencias (dirección y velocidad).• Variación temporal de la velocidad.• Potencial eólico disponible.• Perfil vertical del viento (variaciones temporales y relaciones con la dirección)• Variación de la velocidad vertical (relación entre el viento vertical y la dirección)• Factores de ráfaga (relaciones entre la velocidad, dirección y factor de rafagosidad)• Características de la turbulencia (relaciones entre direcciones y turbulencia y entre

velocidades y turbulencia).• Desviación de la dirección.

• Medias cada 10 minutos


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• La distribución de probabilidades de viento, P(v), es importante para determinar el potencial eólico disponible y los parámetros energéticos de interés.

• DISTRIBUCIÓN DE RAYLEIGH

• DISTRIBUCIÓN DE WEIBULL: Es la más usada en los estudios de energía eólica para representar la probabilidad de velocidades del viento:

– P(v) representa la prob. estadística de que ocurra una determinada velocidad v.– A es el factor de escala de la distribución de Weibull ≈ Vmed– k es el factor de forma

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−= 2

2

2 2exp)(

σσUUuP ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=> 2

2

2exp)(

σvvuP

kk

AvA

Av

AkvP ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

−

exp*)(1


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• La expresión de Weibull proporciona un método empírico preciso para la representación de la distribución de probabilidades de velocidades del viento.

• La distribución de Rayleigh es un caso particular de la distribución de Weibull con k=2.


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APLICACIONES DE LA DIST. DE WEIBULL

• Prob. De que existan velocidades superiores a una dada: P(v>Vx)=exp(-Vx/A)k

• Prob. De que existan velocidades entre dos límites:P(Vx<V<Vy)=e-(Vx/A)k- e-(Vy/A)k

• La velocidad media se puede calcular como

• La desviación estándar de la distribución se obtiene:

• Se pueden calcular otros factores como la velocidad media cúbica, el factor de potencia o el índice de variabilidad.

)11(k

AV +Γ•=

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ +Γ−+Γ= )11()21( 222

kkAσ


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• Tienen gran importancia para elMicrositing (ubicación de las máquinas) y para conocer la variabilidad a la que debe responder el sistema de orientación del aero.

• ROSA DE VIENTOS. Representa el porcentaje de tiempo en que el viento proviene de una determinada dirección.

• La dirección se refiere siempre al lugar

desde donde procede la corriente de aire.

0

5

10

15N

NNE

NE

ENE

E

ESE

SE

SSES

SSW

SW

WSW

W

WNW

NW

NNW

Frecuencia Velocidad

DISTRIBUCIÓN DE DIRECCIONES


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Variación del viento con la altura

• El viento varía con la altura sobre el suelo. El estudio de dicha variación es de gran importancia:

- A mayor altura, mayor velocidad del viento mayor potencia de las aeroturbinas. Pero cuanto más alta sea la torre, mayor será su coste optimización del sistema.

- Cada pala al girar se encuentra con viento variable cargas alternativas que producen fatigas en los componentes mecánicos y fluctuaciones en la potencia eléctrica.

• A medida que se reduce la distancia al suelo aparece un efecto de rozamiento y el viento se frena. Esto ocurre en la Capa Límite Terrestre (~ 2 km).

• La parte inferior de la C.L.P. se denomina capa superficial (~150 m). En ella el perfil del viento varía como:

V = V(zr)(z/zr) α zr = Altura de referencia


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• El exponente α varía con la hora del día, la estación del año, el tipo de terreno, la velocidad del viento y la estabilidad atmosférica.

•Varía también en cada punto de medición En teoría cada posición de aerogenerador tiene un perfil del viento distinto al de la torre de medida

• En general α aumenta con la rugosidad del terreno y disminuye con la velocidad y con el grado de estabilidad atmosférica.

•El resto de la C.L.P se conoce con el nombre de capa de Ekman. A través de la capa de Ekman, el viento cambia de dirección.

• Para estudiar la acción del viento sobre las aeroturbinas basta con el conocimiento de la capa superficial (¡¡cuidado con la creciente altura de las máquinas!!)


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Giro del viento en la Capa de Ekman


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• Según se asciende en altitud, la temperatura disminuye Gradiente negativo con la altura.

• Motivos:– Transparencia del aire a la radiación la atmósfera se calienta por su base el

suelo se calienta y transmite ese calor a las capas bajas de la atmósfera.– La atmósfera emite más radiación de la que absorbe.

• Para atmósfera estándar este gradiente es γ=-0.65 ºC/100m• Existen tres tipos de Estabilidad atmosférica:

– Neutra: Si Tburbuja = Taire No hay movimientos verticales

– Estable: Si Tburbuja < Taire La burbuja de aire descenderá a su posición antigua. Estratificación en capas horizontales.

– Inestable: Si Tburbuja >Taire la burbuja tenderá a seguir subiendo. Movimientos verticales


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• La estabilidad atmosférica tiene gran importancia.• Cuando la atmósfera es estable, la variación del viento con la altura es más

intensa mayor velocidad del viento a la altura de buje.


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• Se determina por el tamaño y distribución de los elementos de rugosidad que contiene.

• Para superficies terrestres son la vegetación, los edificios y la superficie del suelo.

• La rugosidad del terreno se evalúa mediante el parámetro denominado longitud de rugosidad z0.

• Su sentido físico es la altura a la que laVm = 0 cuando el viento tiene una variación logarítmica con la altura.

• La rugosidad afecta también al perfil.• En superficies con vegetación, z0 puede

variar con la velocidad del viento, o variar estacionalmente.

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ozz

kV

V ln*

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −=

ozDz

kV

V ln*

Atmósfera neutra y homogénea horizontalmente, válida hasta 100 m


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Efectos locales del viento y circulación general

• MUY importantes para evaluar un emplazamiento.• Producen efectos que generan vientos locales o regionales que pueden encubrir a los

vientos generales.• Se manifiestan más claramente cuando los vientos de circulación general son débiles.• Existen efectos locales de origen:

– Únicamente térmico:– Brisas de mar/tierra– Vientos de ladera (flujo anabático y catabático)– Vientos de valle.

– De origen topográfico:– Rasgos topográficos de pequeña escala (colinas, acantilados, pequeños valles, etc)

originan pequeñas perturbaciones que pueden favorecer la existencia de puntos singulares donde la velocidad del viento se incremente y sean aprovechables.

– Rasgos topográficos de cientos o miles de km2 canalizaciones (Valle del Ebro, Estrecho de Gibraltar, etc)

• Frente a un obstáculo el aire “prefiere” bordearlo más que superarlo.

Efectos locales


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• BRISAS DE MAR• Durante las horas de sol la tierra

se calienta más rápidamente que el mar

El aire sobre ella asciende.

Formación de vientos que soplan hacia tierra en superficie y en sentido contrario en altura.

• Durante la noche el aire sobre el mar es más cálido y la circulación se invierte.

Brisas terrestres y marinas

Efectos locales


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VIENTOS DE LADERA Y VALLE• Tiene lugar en valles entre montañas.• Salida del sol Las laderas del valle se

calientan y comienzan sobre ella flujos de aire ascendente (vientos anabáticos).

• A mediodía estas corrientes ya son fuertes y comienza el ascenso del aire valle arriba.

• Al final de la tarde, ya no hay vientos ladera arriba Sólo valle arriba.

• Puesta de sol Vientos de ladera descendentes (vientos catabáticos)

• Finalmente se produce un flujo descendente a lo largo del valle, con aire frío de las montañas.

• El desarrollo de estos vientos depende de la forma del valle y de las montañas adyacentes, así como de su orientación.

A) Salida del sol; b)media mañana; c) mediodía; d) Media tarde; e) Anochecer; f,g,h) Evolución durante la noche

Efectos locales


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• Modelos simples:– Cerca del ecuador, la baja atmósfera se calienta y se eleva, creando una baja

presión que succiona viento de ambos hemisferio (Zona de Convergencia Intertropical). En esta zona los vientos son ligeros del este o del oeste.

– A ambos lados de esta zona de bajas presiones soplan los vientos alisios, que son de componente este (Islas Canarias). Son vientos muy constantes y convergen hacia el Ecuador. Se extienden aproximadamente hasta los 30º de latitud N y S.

– Sobre los 30º (en el Hemisferio Norte), se producen las Altas Presiones tropicales. En estas zonas los vientos son muy débiles. De esta zona de Altas Presiones divergen tanto los Alisios como los vientos del oeste de las latitudes medias.

– Desde esta zona de Altas Presiones tropicales hasta cerca de los círculos polares dominan los vientos del oeste. Son mucho menos constantes que los Alisios, tanto en dirección como en intensidad. Además, se ven afectados en su trayectoria por :

– los núcleos de alta y baja presión (viajan hacia el este). – En el Hemisferio Norte por las formas irregulares de los continentes, mientras que en

el Hemisferio Sur son más fuertes y de dirección más constante.

Circulación general


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Circulación atmosférica en la Península Ibérica:• Se encuentra durante la mayor parte del año dentro de la zona de vientos del

oeste de las latitudes medias del H.N.• Se ven muy influidos por tanto por el desplazamiento estacional de la zona de

altas presiones subtropical.• En verano, al desplazarse éstas hacia el norte, la Península queda fuera, total o

parcialmente, de la zona de vientos del oeste

Durante está época del año se produce un descenso de la intensidad de los vientos.

• Canarias queda en invierno en el límite de influencia de los vientos alisios, mientras que en verano queda de lleno dentro de ella es en esta época cuando los vientos son más fuertes.

Circulación general


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Caracterización de recursos eólicos

• La cantidad de energía contenida en las masas de aire en movimiento representa un nivel de potencial energético relativamente elevado Esfuerzo por llevar a cabo su transformación en energía útil.

• Al considerar el viento como recurso energético, tiene características específicas:• Fuente con sustanciales variaciones temporales, a pequeña y a gran escala de

tiempo, y espaciales, tanto en superficie como en altura.• Cuenta además con una componente aleatoria que afecta en gran parte a su

variación total.

• La energía eólica disponible es proporcional al cubo de la velocidad (E= V3) pequeñas variaciones en la velocidad de viento conllevan sensibles variaciones en la energía suministrada.


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• Las características del viento intervienen de forma importante en varias áreas de trabajo relacionadas:

– En la selección del emplazamiento más favorable, dadas las acusadas diferencias locales del viento.

– En la previsión de la producción energética y del funcionamiento global del parque eólico valores medios del viento y distribuciones diarias, estacionales, direccionales, etc.

– En el diseño del parque, donde se tienen en cuenta las condiciones medias representativas y condiciones extremas de viento (rachas máximas, turbulencia, etc.)

– En la Operación y regulación del P. E. Predicción del viento para planificar las estrategias de Operación (arranque, parada, orientación, etc) y factores que afectan al Mantenimiento (ráfagas, turbulencias, etc).

• EVALUACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DEL VIENTO REPRESENTA UN ÁREA DE ESPECIAL IMPORTANCIA EN EL APROVECHAMIENTO DE LA ENERGÍA EÓLICA. CONOCER EL REGIMEN DE VIENTOS ES NECESARIO TANTO PARA OPTIMIZAR LAS APLICACIONES ENERGÉTICAS COMO PARA PREDECIR LAS CONDICIONES DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO.


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• Energía cinética de una masa m y velocidad v:» E = 1/2 mv2

• Energía por unidad de volumen de la corriente de aire es:

e = 1/2ρv2

• El flujo de aire que va a una velocidad v a través de una superficie A es: » φ = v A

• La Potencia eólica disponible (energía que fluye por unidad de tiempo), Pd, en una sección transversal de área A perpendicular a la corriente de aire es:

Pd = 1/2ρv2.v.A= 1/2ρAv3

POTENCIA EÓLICA DISPONIBLE

• LA POTENCIA MECÁNICA DISPONIBLE EN LAS MASAS DE AIRE EN MOVIMIENTO, ES PROPORCIONAL AL CUBO DE LA VELOCIDAD DEL VIENTO Y AL ÁREA EXPUESTA A LA CORRIENTE DE AIRE (TAMAÑO DEL ROTOR), ADEMÁS DE LA DENSIDAD.

• Por tanto, cuanto mayor sea el rotor de una turbina, mayor será la potencia mecánica extraída del viento.• Debido a las variaciones temporales del viento potencia media por unidad de área expuesta al viento

3

21 v

APd ρ=


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POTENCIA EÓLICA APROVECHABLE• Debe cumplirse la ecuación de conservación de la masa (condición de continuidad) no se puede extraer toda la

potencia eólica disponible en el viento.• La cantidad de potencia eólica aprovechable depende, además de la potencia eólica disponible (velocidad del viento),

de las características de funcionamiento de la máquina.• La potencia eólica aprovechable es:

• Donde Cp (Coeficiente de potencia) expresa la fracción de potencia extraída en el rotor, y es función, para cada máquina, de la velocidad del viento Cp = Cp(v).

• El máximo valor teórico de Cp establecido a partir de la teoría del rotor es 16/27=0.59, conocido como Límite de Betz.• En la realidad es muy difícil alcanzarlo. Puede llegar a valores superiores a 0.40

pa CAvP 3

21 ρ=

00,05

0,10,15

0,20,25

0,30,35

0,40,45

0,5

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

Velocidad (m/s)

Cp


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• OBJETIVO: Maximizar la captación de energía para reducir el coste de producción.

• Situaciones más comunes:– Estimación de recursos eólicos en un lugar donde no existen registros de

viento disponibles– Estimación de la Energía Eólica a la altura de buje (≠ a la de medida)– Estimación de los recursos eólicos referidos a largo plazo (medidas en un

corto periodo de tiempo).


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• FACTORES QUE AFECTAN AL FUNCIONAMIENTO DE LOS SISTEMAS EÓLICOS

• Velocidad media del viento y sus variaciones (diurnas, estacionales, etc)

• Distribución de probabilidades de velocidades.

• Variación de la velocidad con la altura.

• Distribución de direcciones y probabilidades de cambios bruscos de dirección.

• Variaciones estacionales y diurnas de la densidad del aire.

• Características de series temporales de altos vientos y de periodos de calma.

• Interacción de estelas.

• Frecuencias de condiciones extremas de viento (tormentas, huracanes, etc).

• Condiciones atmosféricas especiales (hielos, arena, elevada salinidad, etc)


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• CRITERIOS BÁSICOS

• Elevada velocidad media.

• Terreno con buena exposición y sin obstáculos al flujo del aire.

• Acoplamiento aceptable entre el viento disponible y la necesidad de suministro

energético. Aceptables variaciones diurnas y estacionales.

• Aceptables niveles de turbulencias y de vientos extremos (integridad estructural

y vida útil del parque) ⇒ Prestar atención a los datos estadísticos para conocer

la probabilidad de superarse una determinada velocidad.


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• Pasos entre montañas en áreas de altos gradientes de presión.

• Largos valles descendiendo de cadenas montañosas.

• Llanos y llanuras elevadas.

• Elevaciones con buena exposición. Cimas de montañas en áreas de fuertes

vientos de altura.

• Lugares costeros bien expuestos en áreas de fuertes vientos de altura o fuertes

gradientes térmicos o de presión.

• Lugares con vegetación acusadamente deformada por la acción de los vientos

dominantes.


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• INFORMACIÓN REQUERIDA EN LA SELEC. DE EMPLAZAMIENTOS• La información meteorológica relacionada con las aplicaciones de la E. Eólica

está considerada en función de varias fases:

– a) Fase de exploración, que implica la prospección eólica general y el diseño preliminar del parque eólico.

– b) Fase de planificación, que comprende una detallada evaluación del emplazamiento y el diseño del parque eólico.

– c) Fase de operación, que implica la predicción del viento y la evaluación operacional del parque.

• Cada una de estos procedimientos implica el siguiente proceso:


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• Prospección eólica general:

– a. Análisis a gran escala (100.000 Km2 - 10.000 Km2)

– b. Evaluación a media escala (10.000 Km2 - 100 Km2)

– c. Muestreo de lugares favorables.

– d. Evaluación de lugares favorables.

– e. Selección de emplazamientos.

• Evaluación de un emplazamiento determinado:

– a. Determinación inicial del potencial eólico.

– b. Evaluación del emplazamiento.

– c. Definición del emplazamiento.


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• Para la evaluación a media escala ⇒ datos de observatorios cercanos. Únicamente es aplicable en zonas extensas de terreno llano con Vmed>5 m/s

• Mejor realizar una campaña corta de medidas y establecer correlaciones con observatorios próximos ⇒ Hay que considerar las variaciones estacionales de velocidades y direcciones de viento.

• El procedimiento más fiable para evaluar un posible emplazamiento consiste en tomar medidas de viento durante al menos un año y valorar si es representativo de las condiciones típicas. Es el más preciso y puede aplicarse a cualquier tipo de terreno.

• Después de la toma de datos, el siguiente paso es realizar el cálculo de la producción energética del parque (Micrositing) y un Estudio Económico de Viabilidad.


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• ASPECTOS PARTICULARES• En el emplazamiento de grandes máquinas para producción eléctrica, las

actividades deben considerar otras características:– Viabilidad económica del proyecto completo: Infraestructuras, distancia a

las líneas de transmisión, accesos, costes de suministros, de la obra, etc.– Efectos medioambientales: Impacto visual, implicaciones de ruido, efectos

en la ecología (avifauna).– Institucionales: Usos del terreno, consideraciones sobre seguridad,

regulaciones, derechos, etc.– Meteorológicos: vientos extremos, turbulencia (clase de aerogenerador a

instalar), heladas, salinidad, ect.– Técnicos: uso de la energía, impacto en la operación de las plantas de

potencia de la red, fiabilidad, eficiencia, etc.– Aceptación pública.


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• Además de las descripciones anteriores, basadas en valores medios y la oscilación turbulenta alrededor de ese valor medio, es también de interés conocer los valores extremos del viento que pueden ocurrir a largo plazo.

• ¿Cuál será el viento medio máximo durante un año?• De las medidas de viento anuales se puede extraer esta información. Si

tenemos datos de varios años, se podría obtener una estadística de dichos valores extremos.

• En lugar de la estadística de Weibull se prefiere usar la ley conocida como de Gumbel o Fisher-Tippett, que proporciona la probabilidad de que la velocidad del viento máximo en un emplazamiento supere un valor determinado.

P(VT extremo anual<Uo)=exp(-exp(-(Uo-Um)/Ud))donde Um indica la moda y Ud la dispersión de esta distribución.


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• ¿Qué tiempo transcurre entre dos ráfagas similares?• El Periodo de retorno, R, se define como el número de años entre dos ráfagas similares

• La norma IEC61400-1 indica que para periodos de retorno de 50 años, la velocidad extrema del viento que debe aguantar la estructura para distintas alturas es:

Ve50=1.4Vref(z/zhub)0.11

• Vref es la velocidad media máxima en periodos de 10 minutos que se puede alcanzar en un periodo de 50 años.

• Vref es función de la clase de aerogenerador que se esté considerando.• Para periodos de retorno de un año se indica la siguiente expresión:

Ve1= 0.75Ve50

• Es decir, si conocemos la racha máxima anual (Ve1) podemos calcular la máxima en 50 años (Ve50), y de ésta la Vref.

• En la norma IEC 61400 también se definen distintos tipos de ráfagas de duración menor que los 10 minutos, con cargas extremas de viento que deben aguantar los distintos tipos de aeroturbinas.


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WTGS class I II III IV

Vref (m/s) 50,0 42,5 37,5 30,0

Vave (m/s) 10,0 8,5 7,5 6,0

A I15(-) 0,18 0,18 0,18 0,18

a(-) 2 2 2 2

B I15(-) 0,16 0,16 0,16 0,16

a(-) 3 3 3 3

-I, II, III, IV viene determinados por Vref y Vave,-A, B vienen caracterizados por la turbulencia (A designa la categoría para altas turbulencias y B para bajas turbulencias)-Vref es la velocidad de referencia, parámetro básico utilizado en ladefinición de clases de emplazamientos, -Vave, velocidad media anual a la altura del buje-I15 valor característico de la intensidad de turbulencia a 15m/s,-a parámetro de inclinación para el modelo de desviación estándar.


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Anemometría y medida del viento

• DURACIÓN DE LAS MEDIDAS

– Medir durante un periodo lo más largo posible. La incertidumbre disminuye

a medida que se aumenta el periodo de medición.

– Medir EN CADA ESTACIÓN DEL AÑO, dado que los patrones de la

velocidad y dirección del viento son estacionales.

– Comparar las medidas con otras de lugares vecinos donde estén disponibles largos periodos de datos.

– Comparar las medidas con las tendencias regionales a largo plazo, ya que ocurren significantes variaciones climatológicas en la velocidad del viento.


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Incertidumbre en la estimación de la velocidad media en función de la duración de las medidas


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• UBICACIÓN DE LOS SENSORES– Deben estar ubicados en lugares bien expuestos a todas las direcciones y sin

obstáculos en los alrededores.– Medidas a diferentes alturas para determinar el perfil vertical del viento.– Es conveniente medir a la altura de buje para evitar incertidumbres Es caro, y no

se suele hacer.

• ELECCIÓN DE LOS INSTRUMENTOS– Coste y fiabilidad del sensor.– Sensibilidad: las medidas altamente especializadas (turbulencias inducidas por

estelas) requieren instrumentos más sensibles.– Calibración de los instrumentos.– Robustez– Compatibilidad de las especificaciones de sensibilidad y fiabilidad del sistema

completo.


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Estimación del recurso

• Cuando se quiere instalar un parque eólico se busca que la energía obtenida sea máxima y que las cargas turbulentas, que deben soportar las máquinas acortando sus vidas, sean lo menores posibles.

• A la hora de evaluar el recurso en una zona se plantean dos cuestiones:

– Medidas durante un periodo de varios años en una estación extrapolar a otros puntos EXTRAPOLACIÓN ESPACIAL MODELIZACIÓN

– A partir de medidas durante un periodo reducido extender esas medidas a unos valores representativos de las características eólicas del lugar a largo plazo EXTRAPOLACIÓN TEMPORAL METODOS MATEMÁTICOS DE CARÁCTER ESTADÍSTICO.

• Es de esperar que distancias del orden de la mesoescala, exista un número suficiente de estaciones meteorológicas para tener, en una primera aproximación, datos generales y de muchos años sobre el viento en la región.

• En cambio, lo que es casi seguro es que faltará el conocimiento detallado en la microescala, de cómo los diferentes obstáculos, colinas, configuraciones orográficas o la propia presencia de otras turbinas afectarán localmente al viento.

• Además de estas dos cuestiones, se están desarrollando modelos para evaluar otros aspectos de interés como son:

– Estelas de aerogeneradores en parques y la pérdida energética correspondiente (PARK, UPMPARK, etc.)

– Predicción a corto y medio plazo del recurso eólico y la producción energética.


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• Si el observatorio está adecuadamente expuesto y en terreno llano y homogéneo, es representativo de amplias zonas, pero en otros casos apenas son representativos de lo que pasa a pocos metros.

• Variabilidad espacial del viento los observatorios sólo pueden usarse para evaluar su entorno más cercano, incluso cuando no existen grandes efectos topográficos (inhomogeneidades superficiales que afectan).

• SON NECESARIAS TÉCNICAS PARA EVALUAR EL EFECTO DE LA TOPOGRAFÍA SOBRE LAS CARACTERÍSTICAS DEL VIENTO EN PUNTOS DISTINTOS DEL DE LA ESTACIÓN DE MEDIDA.


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•PERTURBACIONES POR PEQUEÑOS ACCIDENTES

– La velocidad se ve afectada por pequeños accidentes orográficos, como colinas, acantilados, valles, etc Importantes cambio de velocidad del viento con la altura– Cuando el viento se ve interrumpido por una elevación (acantilado, colina, cortado,etc), se produce un incremento de la velocidad.

– Depende de la forma del accidente, h es la altura del mismo, L la longitud del obstáculo y z0 la longitud de rugosidad.


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MODELIZACIÓN FÍSICA• Emplea básicamente el túnel de viento para la evaluación del flujo de aire sobre modelos

a escala de la topografía o de los obstáculos. • No es evidente que los resultados sean extrapolables al “mundo real”.• Puede emplearse cuando:

– La región modelizada no sea mayor que unas pocas decenas de km.– La porción de atmósfera sea sólo de unos centenares de m sobre el suelo y la capa

límite sea neutra o inestables.– Las dimensiones verticales de los accidentes del relieve deben ser menores que la

profundidad de la capa límite atmosférica (capa donde son observables las transferencia turbulentas de calor y cantidad de movimiento). Es decir su altura debe ser de sólo unos centenares de metros.

– Es de difícil utilización, lo que unido a la incertidumbre de los resultados hace que apenas sea utilizado.


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MODELOS NUMÉRICOS• Tratan de encontrar soluciones para las ecuaciones que describen el

movimiento del aire en la atmósfera y sus interacciones con la superficie.• La exactitud de estos modelos depende en gran medida de la calidad de los

datos de entrada y de la validez de sus hipótesis matemáticas.• La ecuación que describe el movimiento de la masa de aire:

• Además, debe cumplirse las ecuaciones de conservación de masa, de energía y de vapor de agua en la atmósfera.

• Encontrar solución para las seis ecuaciones no es factible Se realizan simplificaciones.P ej. Que cumplan sólo la ecuación de continuidad

Modelos de conservación de masa

vc FFgPdtVd rrrr

+−−∇−=ρ1


ER

ED

A


Modelos de conservación (1)• Parte de todas las observaciones de viento en la zona a analizar. • A partir de ellas se realiza una estimación inicial del campo de vientos en cada punto de

una malla tridimensional, mediante un criterio de interpolación.• Este campo inicial Vo(uo,vo,wo) es ajustado por un proceso iterativo en cada punto de la

red, hasta obtener otro, V(u,v,w), que satisface la ecuación de conservación de la masa

• En los puntos próximos a la superficie se obliga al vector viento a ser paralelo a la superficie terrestre.

• Todos los cálculos se realizan dentro de un volumen de control cuyos límites inferiores están determinados por la topografía del terreno.

• Para obtener la solución ajustada por mínimos cuadrados se emplea el métodovariacional.

00)( =⇒=∇+∂∂ VdivV

trr

ρρ


ER

ED

A


Modelos de conservación (2)• Sobre la correcta utilización de los modelos de conservación de masa:

– Los datos de viento para la entrada del modelo deben proceder de una red de observatorios suficientemente densa para dar una idea general de las características del flujo a través de la región modelizada.

– Deben utilizarse únicamente si la resolución de la malla es suficiente para ver los rasgos de la topografía.

– En caso de efectos no debidos a la topografía, de escala menor a la regiónmodelizada, es precisa una red de observaciones todavía más densa.

– Favorece los buenos resultados el que las condiciones de contorno sean suficientemente homogéneas; p.j en el caso de islas.

– La región modelizada debe incluir todos los accidentes topográficos relevantes para el flujo del viento en la región.


ER

ED

A


Modelos de conservación (3)• Describen adecuadamente el campo de vientos cuando el factor dominante es la

topografía.• En este caso los resultados son buenos en valor promedio anual, reproducen las mismas

características de los datos de entrada y sirven para valorar cualitativamente unas zonas frente a otras.

• Ventajas:– El tiempo de ordenador requerido no es excesivamente grande.– Posibilidad de datos de varios observatorios.

• Desventajas– Los resultados corresponden a promedios de celda y no reflejan rasgos topográficos

de escala menor.– El modelo considera únicamente la ecuación de conservación de la masa.– Tienen importantes limitaciones cuando se dan efectos de estratificación de la

atmósfera, separación de flujo, pendientes muy pronunciadas o turbulencia.


ER

ED

A


MODELOS DE EXTRAPOLACIÓN TEMPORAL

• Estimación a largo plazo del viento en un punto a partir de las medidas durante un periodo reducido.

• Para realizar la extrapolación se requiere:– Medidas del periodo reducido en el emplazamiento a evaluar.– Medidas simultáneas de la estación de referencia.– Medidas a largo plazo (10 o 15 años) de la estación de referencia.

• Debe tenerse en cuenta que las condiciones del observatorio no hayan variado en todo el periodo de referencia.

• Método Medida-Correlación-Extrapolación (MCP).• Se obtienen rectas de regresión y se extrapolan los resultados a la estación

del emplazamiento (siempre que el coef. Correlación se adecuado).


ER

ED

A


EL MODELO WASP (1)EL MODELO WASP (1)

• Fue desarrollado por Riso National Laboratory de Dinamarca y fue utilizado en la elaboración del Atlas Eólico Europeo.

• Utiliza el perfil logarítmico de variación del viento:

• Supone un equilibrio entre las fuerzas de presión, de Coriolis y de fricción Lleva a una relación entre la velocidad geostrófica y la de fricción, conocida como Ley de arrastregeostrófico.

• El modelo, a partir de una hipótesis basada en la observación del terreno, del valor de zo, puede obtener, a partir de una medida del viento a una altura z, el valor de V* y de ahí el valor de Vg.

• Para evaluar el recurso eólico en otro emplazamiento, con otro valor de rugosidad zo’, se efectúa la hipótesis de que el viento geostrófico que le corresponde es el mismo igualdad del viento geostrófico bastaría calcular el valor correspondiente de V*’ y de su dirección y, a continuación, obtener la velocidad en la superficie V’ y su dirección.


ER

ED

A


•• EL MODELO WASP (2)EL MODELO WASP (2)• El modelo incorpora varias submodelos

cuyo objetivo es el de calcular las perturbaciones sobre el viento producidas por obstáculos, por la naturaleza del terreno y por la orografía.

• Calcula un hipotético viento sin perturbara partir del cual se efectúa el cálculo posterior de lo que el modelo llama ATLAS.

• A partir de estos ATLAS el modelo efectúa el proceso inverso y puede calcular el viento esperado en un emplazamiento con unos determinados obstáculos, rugosidad y relieve.


ER

ED

A


•• EL MODELO WASP (3)EL MODELO WASP (3)• Ventajas:

– Facilidad de uso– Necesidad de un sólo observatorio– Buen tratamiento del efecto de obstáculos, cambios de rugosidad y topografías

sencillas.• Inconvenientes

– Facilidad de uso: produce resultados aún con datos no correctos.– Se basa en distribuciones de viento del tipo Weibull, lo cual no es siempre cierto.– No da buenos resultados en topografías complejas, donde no se cumple la ecuación

de equilibrio geostrófico.– No es capaz de predecir efectos de separación de flujo.– No tiene en cuenta efectos de estabilidad ni de variaciones diarias o estacionales del

viento– Falla en la extrapolación vertical del viento. Hay que “engañarle”

Debe limitarse su uso a topografías no muy complejas.


ER

ED

A


•• EL MODELO WASP (4)EL MODELO WASP (4)--PARKPARK• Calcula las estelas generadas en el P.E.• Está basado en un modelo matemático

de la onda detrás de la turbina.• Usa la teoría del déficit de momento para

predecir el flujo de una forma sencilla, suponiendo que la onda se expande linealmente detrás del rotor.

• Es 2-D, por lo que sólo se pueden calcular turbinas a la misma altura de buje, y el terreno debe ser relativamente homogéneo para prevenir aceleraciones.

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

+−−−=

2

2)11(1

kXDDCUV t


ER

ED

A

Medición de recurso

Tras seleccionar un emplazamiento de interés y conseguir el permiso de instalación de una estación de medida, se realizan mediciones durante un período de al menos 1 año.

Elección del punto de medida

Tramitación de permisos de instalación y acuerdo de terrenos

(Ayuntamientos, Medio Ambiente, Agricultura, particulares…)

Instalación de la Estación de Medida


ER

ED

A


EREDA en sus estaciones de medida utiliza los más avanzados equipos del

mercado realizando calibraciones periódicas de

los mismos

•Sensores THIES•Sensores Young •Sensores Sónicos•Generadores fotovoltaicos


ER

ED

A


EREDA pone a disposición de sus clientes torres de medida tanto con cimentación (fijas)

como sin cimentación (desmontables).

•Torres de 40m, 60m•Torres móviles •Torres cimentadas (parques)


ER

ED

A


EREDA realiza el análisis de datos obtenidos por la estación de medida tanto por telecontrol como recogiendo los datos en la propia estación de medida.

A través de análisis de calidad de los datos se filtra cualquier incidencia que haya podido ocurrir en la estación.


ER

ED

A

Evaluación de recurso

La evaluación de recurso eólico en un emplazamiento comprende distintos aspectos:• Análisis de datos de viento de la estación de

medida: Controles de calidad• Determinación de la densidad media del aire• Correlación estadística entre distintas

estaciones• Elección del período de referencia• Características del viento a largo plazo• Obtención de perfiles verticales de Viento• Mapa de recursos energéticos• Diseño de la implantación de

aerogeneradores• Determinación de la producción individual y

total del parque

9 8 ,39 3

8 3 ,4

7 2 ,7

6 2 ,1

5 1 ,5

4 1 ,8

3 3 ,2

2 5 ,4

1 9 ,11 4 ,2

1 0 ,57 ,6 5 ,5 3 ,8 2 ,6 1 ,8 0 ,5 0 ,1 0

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 20 25 30

V eloc idad V i (m/s)

Frec

uenc

ia p

ara

v>V

i (%

)

0%

5%

10%

15%

20%N

NNE

NE

ENE

E

ESE

SE

SSES

SSW

SW

WSW

W

WNW

NW

NNW


ER

ED

A



medida• Determinación de la densidad media del aire• Correlación estadística entre distintas



total del parque

z 00 z

z 0= T P

T Pρ ρ ⎡

⎣⎢⎤

⎦⎥

dPP

= gT

dzα


ER

ED

A






total del parque

relacion EM_1-EM-2

y = 0,8748x + 1,8304R2 = 0,9179

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

4 5 6 7 8 9

EM-1

EM-2


ER

ED

A






total del parque

0

2

4

6

8

1 0

1 2

1 4

1 6

jul-98

oct-9

8

ene-9

9

abr-9

9

jul-99

oct-9

9

ene-0

0

abr-0

0

jul-00

oct-0

0

ene-0

1

abr-0

1

jul-01

M e s

Vel

med

ia (m

/s)


ER

ED

A






total del parque


ER

ED

A






total del parque

VV

hh

2

1

2

1=

⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

α


ER

ED

A






total del parque


ER

ED

A






total del parque


ER

ED

A






total del parque


ER

ED

A

Selección de aerogenerador

– Considera:

- IT ambiente (orografía, rugosidad)- IT de parque (resto de máquinas)- Intensidad de turbulencia total- Vave y Vref

• CLASE DE EMPLAZAMIENTO (Normas IEC 61400):


ER

ED

A


Según el “International Standard” de la IEC se puede clasificar los diferentes emplazamientos en distintas clases, dependiendo de la velocidad y la turbulencia del viento en esa zona. Esto permite optimizar el emplazamiento eligiendo aerogeneradores capaces de soportar las diferentes cargas que se puedan dar.

WTGS class I II III IV

Vref (m/s) 50,0 42,5 37,5 30,0

Vave (m/s) 10,0 8,5 7,5 6,0

A I15(-) 0,18 0,18 0,18 0,18

a(-) 2 2 2 2

B I15(-) 0,16 0,16 0,16 0,16

a(-) 3 3 3 3


ER

ED

A


Una vez elegido el emplazamiento y evaluado su recurso, EREDA selecciona el tipo de máquina óptimo para el mejor aprovechamiento del viento en la zona

INTENSIDAD DE TURBULENCIA POR BINES DE VELOCIDAD

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[ 3.5, 4

.5) [ 4

.5, 5.5)

[ 5.5, 6

.5) [ 6

.5, 7.5)

[ 7.5, 8

.5) [ 8

.5, 9.5)

[ 9.5,10.5)

[10.5,11.5)

[11.5,12.5)

[12.5,13.5)

[13.5,14.5)

[14.5,15.5)

[15.5,16.5)

[16.5,17.5)

[17.5,18.5)

[18.5,19.5)

[19.5,19.5)

[20.5,21.5)

Bin

IT+Sig IT (%) IT A IT B


ER

ED

A


La curva de potencia del aerogenerador es su característica de potenciapara los intervalos de velocidad de viento a los que está operativo

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0 5 10 15 20 25 30V (m/s)

Pot/P

ot.N

om.

G52

G58

AE61


ER

ED

A

Ejecución

FASE DE MEDICIÓN (INICIO EN 1997)


ER

ED

A

Ejecución

5,4 5,5 5,6

7,7

8,6 8,7 8,7

6,77,3 7,0

9,7

5,0

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

10,0

11,0

Período

Velo

cida

d m

edia

(m/s

)

1,5

5,6

8,2

9,810,7 10,5

9,68,8

7,56,3

4,73,5

2,92,4 1,9 1,5 1,2

21,1

0,2 00

2

4

6

8

10

12

0- 1

2- 3

4- 5

6- 7

8- 9

10-11

12-13

14-15

16-17

20-25

más de

30

Velocidad Vi (m/s)

Frec

uenc

ia (%

)

0%

5%

10%

15%

20%N

NNE

NE

ENE

E

ESE

SE

SSES

SSW

SW

WSW

W

WNW

NW

NNW

0 m/s2 m/s4 m/s6 m/s8 m/s

10 m/s12 m/s

NNNE

NE

ENE

E

ESE

SE

SSES

SSW

SW

WSW

W

WNW

NW

NNW


ER

ED

A

Ejecución

Velocidad (m/s)

530000

531000

532000

533000

534000

535000

536000

4784000

4785000

4786000

4787000

4788000

123

45678

91011121314

15161718192021222324252627282930

6.5

7.0

7.5

8.0

8.5

EVALUACIÓN DEL EMPLAZAMIENTO E IMPLANTACIÓN DE AEROGENERADORES (AÑO 2000)


ER

ED

A

EjecuciónELABORACIÓN DE PROYECTO (2001)


ER

ED

A

Entrega a operación

PARQUE EÓLICO ELGEA

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EVALUACIÓN DEL RECURSO EÓLICO - Biblioteca Central de la ...biblioteca.uns.edu.pe/saladocentes/archivoz/curzoz/lectura_2... · Naturaleza y causas del viento • En la atmósfera