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4º Coloquio

Internacional

Corredor Eólico del Istmo

Consultado en: http://planeolico.iie.org.mx/4tocol/8-ManuelGAMESA.pps#1

Fecha de consulta: 20/09/2009.

Características viento como combustible:•Variabilidad espacio-temporal, aleatoriedad• Viento geostrófico, perfil vertical, rugosidad

32

21

21 vAAvvPD ρρ ==

ENERGÍA DEL VIENTO

ρ densidad del aireA Area de barrido del rotorv velocidad del viento

Depende de:

A

v

Recopilación de datos existentes

Instalación de torres de medida

Metodología de Evaluación del Potencial Eólico

Control de calidad de datos

Modelización del Campo de Viento

(extrapolación espacial)

Correlación con series de

referencia (extrapolación

temporal)

Parámetros estadísticos

Diseño de parque

Cálculo de la producción energética de parque

Perfil vertical

Turbulencia

TRATAMIENTO DATOS. OBTENCIÓN ESTADISTICOS

Velocidad

Dirección

Temperatura

Presión

¡DURANTE AL MENOS UN AÑO!1Hz, promedio 10 min, 30 min

k

Avk

eAv

AkvP

−−

=

1

)(

Distribución de Weibull

Dos parámetros:k -> Factor de formaA -> factor de escala La distribución de Rayleigh es un

caso especial con k=2

MEDIDAS

EXTRAPOLACIÓN ESPACIAL:

E1

E100

• Datos necesarios:– Medidas de viento– Mapa digitalizado topográfico– Mapa digitalizado de rugosidad– Digitalización de los obstáculos– Curva de potencia del aerogenerador

•Calcula:–Viento en toda la zona de estudio

–Producción energética del parque eólico

DISEÑO PARQUE: Micrositing(Park, Wind Farmer, WindPro)

• Datos necesarios:– Mapa de vientos– Curvas de potencia– Zonas de exclusión – Restricciones (ruido, distancias)– Mapa digitalizado de rugosidad

Optimiza diseño

Calcula energía

Rozamiento con el suelo. Perfil vertical

α

=

00 HH

VV

Ley Potencial:

=

0

*

ZZLn

KVV

Ley logarítmica:

H

H0 V0

V

V* friction vel., K constant, Z0 roughness length

Energía del viento

• Potencia disponible en el viento:

• Energía disponible

• Energía extraíble

3

21 vAP ⋅⋅= ρ

r: air densityA:areav: velocity

tPE ⋅=

pe CtvAE ⋅⋅⋅⋅= 3

21 ρ Cp :coeficiente de potencia

(Cp<0.59)

Cálculo de la producción energética de un aerogenerador

Power curve

0

100

200

300

400

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

V (m/s)

Powe

r (W

)

Wind speed distribution

0

5

10

15

20

25

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

V (m/s)

%

∑=i

iia TWE

Ti

Wi

EMPLAZAMIENTOS EÓLICOS

VIENTOS LOCALES:Aceleración flujo por ascenso

“El viento atravesando lascimas de las montañas se haceveloz y denso, y cuando sopla fuerade ellas se vuelve ligero y lento, comoel agua que sale de un canal estrecho yva a desembocar al mar.”Leonardo da Vinci(1452-1519)

EMPLAZAMIENTOS EÓLICOSEfecto Estela

en Parques Eólicos

POSIBLE PÉRDIDA ENERGÉTICA!!

• Vida de diseño 20 años.• Condiciones de viento normales.• Condiciones de viento extremas.• Otras condiciones medioambientales:tª

ambiente, humedad, salinidad, densidad del aire, hielo...

WTGS class I II III IV S

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

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

A 0,18 0,18 0,18 0,18

B 0,16 0,16 0,16 0,16 to be specified

Clases de aeroturbina. Norma IEC 61400-1

Norma IEC 61400-1Condiciones de viento normales

• Distribución anual: tipo weibull (K=2)• Perfil vertical: ley exponencial a=0,2• Modelo de turbulencia normal:

(I15, a)Espectro turbulento de Von Karman

• Componente vertical de viento: 8º

Verificación de las condiciones de vientoinformación necesaria para evaluación y selección del aerogenerador

• Velocidad media anual a la altura del buje (extrapolada a largo plazo)• Constante de forma K de weibul• Intensidad de turbulencia I15• Velocidad de referencia Vref (obtenida a través de correlación a largo plazo con estaciones meteorológicas

cercanas)• Velocidad máxima histórica Ve50 (obtenida por correlación a largo plazo con estaciones meteorológicas

cercanas)• En terreno complejo y para las ubicaciones reales de las aeroturbinas:

– Pendiente del terreno en en las ubicaciones y cercanía a cortados.– Cortadura de viento– Posibilidad de ráfagas extremas en velocidad o dirección– Inclinación de flujo– Mapa orográfico del parque con indicación de la ubicación de máquinas

Las condiciones de viento deben haberse obtenido mediante medidas en el emplazamiento durante unperiodo de al menos 6 meses y preferiblemente 1 año si se prevé una variación estacional de importancia

• Otras condiciones medioambientales de la red eléctrica y del terreno:• Temperaturas extremadamente altas o bajas y periodo anual de ocurrencia• Formación de hielo (periodo anual de ocurrencia)• Zona sísmica• Densidad del aire• Tipo de suelo• Caídas frecuentes de la red• Distancia prevista entre aerogeneradores

Definición:Distribución de probabilidad utilizada a menudo para la velocidad del viento en un lugar, cuya función de distribución depende de dos parámetros, el parámetro de forma, que determina la anchura de la distribución, y el parámetro de escala, que determina la velocidad media del viento de la distribución(La distribución de Rayleigh es idéntica a la distribución de weibull con un parámetro de forma igual a 2)

Distribución de Weibull

• Consideraciones:Las distribuciones con K baja indican mayor probabilidad de ocurrencia de vientos bajos y de vientos extremosLas distribuciones con K baja dan valores mas bajos de produccionA veces una distribución weibul ajustada con k baja puede significar combinacion de dos regimenes de viento de velocidad media diferente y k proxima a 2 (distribucion bimodal)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 10 20 30 40 50 60

Anual w ind speed (K=2) 7.50 m/sAnual w ind speed (k=1.5) 7.50 m/sAnual w ind speed (K=2) 10.00 m/s

Condiciones del emplazamiento. ImportanciaVELOCIDADES EXTREMAS

• Las velocidades extremas con periodo de retorno de 1 y 50 años son los parámetros que tienen mayor importancia en las cargas últimas sobre la aeroturbina.

• Si no se dispone de valores medidos se deberá hacer una extrapolación a largo plazo basada en correlaciones con estaciones meteorológicas cercanas

Condiciones del emplazamiento. ImportanciaVELOCIDADES EXTREMAS

Frecuencia de la velocidad de viento:Ajuste a la función de distribución acumulada de Gumbel

y = 0,3523x - 1,938

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50V (m/s)

-Ln(-Ln(Frec)

-Ln(-Ln(Frec ajust))

Condiciones del emplazamiento. ImportanciaMAPA OROGRÁFICO Y UBICACIÓN (II)

Energía cinética turbulenta

Condiciones del emplazamiento. ImportanciaTURBULENCIA AÑADIDA POR ESTELA

• En caso de encontrarse las máquinas en estela de otra uotras situadas a barlovento a la turbulencia propia delemplazamiento se le añade la que ocasiona la estela de lasmáquinas

20

2total I Ct/St 1,2 I +=

(Fradsen 1996)

Condiciones del emplazamiento. ImportanciaDENSIDAD DEL AIRE

• La energía generada por las aeroturbinas es directamente proporcional a la densidad del aire

• Las fuerzas aerodinámicas que ejerce el viento sobre la aeroturbina son directamente proporcionales a la densidad del aire

• Bajas densidades producen menor ventilación• La densidad del aire de diseño corresponde a la

densidad del aire standard dens= 1,225 Kg/m3

• Un emplazamiento con menor densidad del aire puede compensar un leve exceso respecto a la clase de la aeroturbina

Condiciones del emplazamiento. ImportanciaEXPONENTE DE CORTADURA (a)

• Los datos de viento medidos en mástiles de altura inferior a la altura del buje deben extrapolarse a la altura del buje mediante las formulas logarítmica o exponencial de cortadura de viento

• La aparición de exponentes de cortadura negativos en determinadas ubicaciones de parque puede ocasionar deflexiones máximas no contempladas por la norma

• El exponente de cortadura de un emplazamiento definirá la altura de torre mas rentable para el emplazamiento

Condiciones del emplazamiento. ImportanciaFLUJOS VERTICALES DE VIENTO

• La aparición de fuertes componentes verticales de viento produce sobre las palas cargas asimétricas izquierda – derecha que provocan pares de guiñada fuertes sobre el aerogenerador

• La norma IEC establece 8º como ángulo de inclinación del viento, ángulos superiores deben ser objeto de análisis

Condiciones del emplazamiento. ImportanciaMAPA OROGRÁFICO Y UBICACIÓN DE MAQUINAS (I)

• La utilización de software de simulación basados en teoría potencial (WAsP) conduce a la colocación de las aeroturbinas en posiciones demasiado cercanas al borde del barranco

Condiciones Del Emplazamiento. Importancia

TEMPERATURAS EXTREMAS Y FORMACION DE HIELO• Temperaturas extremadamente altas o bajas y si además se

combinan con baja densidad provocan problemas de refrigeración en generador y multiplicadora y/o no funcionamiento de sistemas electrónicos

• La formación de hielo en palas implica menor producción• La formación de hielo en palas durante periodos prolongados

con los aerogeneradores funcionando pueden provocar cargas de fatiga importantes por mayor peso y/o desequilibrio másico.

• La formación de hielo ensensores meteo produceparadas en las máquinas

Conclusiones • Las condiciones de viento de un emplazamiento

pueden producir fatiga o cargas extremas inaceptables para las máquinas.

• El conocimiento de dichas condiciones es vital y se hace necesaria la realización de medidas meteorológicas exhaustivas en los emplazamientos.

• La orografía influye notablemente en el flujo, por lo que deben conocerse las posiciones precisas de las aeroturbinas.

TIPOS DE CARGAS EN AEROGENERADORES

• CARGAS AERODINÁMICAS EN LAS PALAS

• CARGAS GRAVITATORIAS EN LAS PALAS

• FUERZAS CENTRIFUGAS Y DE CORIOLIS

• CARGAS GIROSCÓPICAS DEBIDAS A LA ORIENTACIÓN

• CARGAS AERODINÁMICAS EN TORRE Y GÓNDOLA

• CARGAS GRAVITATORIAS EN TORRE Y GÓNDOLA

CASOS DE CARGA

1. ESTADO DEL AEROGENERADOR.1.1 CONDICIONES DE OPERACIÓN:

1.1.1-OPERACIÓN NORMAL

1.1.2-ARRANQUE, PARADA, IDLING, ESPERA

1.2 CONDICIONES TEMPORALES:

1.2.1-TRANSPORTE

1.2.2-INSTALACIÓN Y MONTAJE

1.2.3-FALLOS (Ejemplo: fallo del sistema de control)

1.2.4-MANTENIMIENTO Y REPARACIÓN

1.2.5-ENSAYOS

2. VIENTO INCIDENTE:2.1-PERFÍL NORMAL

2.2-TURBULENCIA NORMAL

2.3-RÁFAGA COHERENTE EXTREMA

2.4-CAMBIO DE DIRECCIÓN EXTREMA

2.5-RÁFAGA EXTREMA

2.6-HURACÁN

2.7-CORTADURA EXTREMA

CASOS DE CARGA DE DISEÑO

• OPERACIÓN NORMAL JUNTO A CONDICIONES NORMALES DE VIENTO

• OPERACIÓN NORMAL JUNTO A CONDICIONES EXTREMAS DE VIENTO

• SITUACIONES DE FALLO JUNTO A LAS CONDICIONES EXTERNAS APROPIADAS (Pueden incluirse condiciones externas extremas)

•TRANSPORTE, INSTALACIÓN Y MANTENIMIENTO JUNTO A LAS CONDICIONES EXTERNAS APROPIADAS (Pueden incluirse condiciones externas extremas)

DISTRIBUCIÓN RAYLEIGH DE VIENTO:

2)·2/((1)( MEDIABUJE VVEXPVP π−−= LEY DE CORTADURA DEL VIENTO:

α)/()( hubbuje zzVzV =

MODELO TURBULENTO:

)1/()/15(151 ++= aaVsmI bujeσ

3/53/2

12

1 )/(05.0)( −−Λ= fVfS BUJEσ 0.7 ZBUJE sí ZBUJE < 30 m.

1Λ =

21 m. sí ZBUJE > 30 m.

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0 10 20 30 40 50Vhub (m/s)

I

AB

RÁFAGA EXTREMA:

Λ+

=)(1.01

1

1DVRÁFAGA

σβ

b = 4.8 para ráfaga anual b = 6.4 para ráfaga de los 50 años D = Diámetro del rotor L 1= es el parámetro de escala turbulenta s 1= es la desviación estándar de la velocidad del viento • ))/·2cos(1)·(/·3sen(37.0)(),( TtTtVzVtzV RÁFAGA ππ −−= para tiempos entre 0 y T • )(zV para tiempos inferiores a t y superiores a T

EXTREME OPERATING GUST (EOG)CATEGORY A

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 5 10 15 20 25 30t (s)

Vhub

(m/s

)

50 YEARS

1 YEAR

CAMBIO DE DIRECCIÓN EXTREMA:

Λ

+

±=

1

1

1.01·arctan)(

DVt

BUJE

eNσβθ

donde :

eNθ está compredido entre º180±

1Λ es el parámetro de escala turbulenta D es el diámetro del rotor b = 4.8 para ráfaga anual b = 6.4 para ráfaga de los 50 años

))/cos(1(·5.0)( Ttt eNN πθθ −= para tiempos entre 0 y T

eNN t θθ =)( para tiempos menores de t 0)( =teNθ para tiempos mayores de T

EXTREME DIRECTION CHANGE (EDC) CATEGORY A

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

-5 0 5 10 15 20 25

t (s)

Q (º

)

50 YEARS (+)

50 YEARS (-)

1 YEAR (+)

1 YEAR (-)

OTRAS CONDICIONES EXTREMAS DE VIENTO: • RÁFAGA EXTREMA COHERENTE • RÁFAGA EXTREMA COHERENTE CON CAMBIO DE

DIRECCIÓN • CORTADURA EXTREMA • HURACÁN: 11.0

50 )/(·4.1 BUJEREFe zzVV = • VELOCIDAD ANUAL MÁXIMA: )(75.0)( 501 zvzV ee = OTRAS CONDICIONES NORMALES MEDIOAMBIENTALES: • TEMPERATURA DE FUNCIONAMIENTO –10º ,40º • HUMEDAD RELATIVA: Hasta un 95% • RADIACIÓN SOLAR: 1000 W/m2 • DENSIDAD DEL AIRE: 1.225 Kg/m3 • CONTENIDO DE CONTAMINANTES (s/IEC 60721-2-1)

Condiciones Eólicas Istmo Tehuantepec, Oaxaca, México

Condiciones Eólicas Istmo Tehuantepec , Oaxaca, México

• Altas velocidades medias de viento.• Dos direcciones predominantes.• Turbulencia.• Alta sísmicidad.• Condiciones ambientales de temperatura y

humedad.Las condiciones de viento del Istmo, en muchos emplazamientos, no están cubiertos por las clases estándar de la norma IEC 61.400 y corresponden a la clase especial “S” con las condiciones de viento a definir para cada emplazamiento.

Condiciones Eólicas Istmo Tehuantepec, Oaxaca, MéxicoDatos eólicos principales para definir las cargas en

los aerogeneradores en Clase S

• Velocidad media ( V.ave).

• Velocidad de referencia ( V.ref ).

• Intensidad de turbulencia.

• Componente vertical.

• Densidad.

• Topografía y localización de los aerogeneradores.

Condiciones Eólicas Istmo Tehuantepec, Oaxaca, México

Aerogeneradores para el IstmoPor los datos preliminares de viento disponibles del Istmo los emplazamientos serán de clasificación IEC, clase I o clase especial “S”. Las propuestas para estos casos son:

1.Para emplazamientos clase I.Gamesa dispone en producción , con numerosas referencias de instalación, la siguiente gama de aerogeneradores :

G52-850 kW con torre de 44, 55 y 65 metros de altura.

G80 – 2000 kW con torre de 60, 67 y 78 metros.

Condiciones Eólicas Istmo Tehuantepec, Oaxaca, México

2.Para emplazamientos Clase “S”.Se debe de definir las condiciones reales de operación de cada parque, las opciones posibles con maquinas clase I, en función de la severidad del emplazamiento son:

1-Evaluación de cargas reales del emplazamiento y comparar con las de diseño de las maquinas clase I, si son menores, instalar maquinas clase I.

2-Evaluación de cargas y reforzamiento de componentes de los aerogeneradores clase I ( torre, palas, rodamientos, etc. )

3- Evaluación de cargas, y, si no puede aplicarse los puntos anteriores, recortar el área barrida del aerogenerador estándar de clase I, disminuyendo la longitud de las palas para disminuir los esfuerzos en el emplazamiento a valores menores que los de diseño y certificación de la maquina.

4-Evaluación de las cargas y disminuir los esfuerzos del emplazamiento clase S disminuyendo la producción nominal del aerogenerador, p.e. maquina de 2000 kW, clase I, limitado a 1.800 kW.

En cada caso se recomienda estudiar las condiciones de viento y adoptar la solución viable mas rentable.

Catálogo de ProductoModelos y versiones

Tipo deProducto WTG IEC DIBT Potencia Red Débil Alturas

de TorresBajo Ruido 60 Hz

Low/Medium Power

G-47

G-52

G-58

G-52 RCC

S

Ia

IIIb

Ia

WZII

660 kW

850 kW

850 kW

800 kW

X

X

40, 45, 55

44,55,65,74

44,55,65,74

44,55,65

X

X

X

X

X

Multi MW

G-80

G-80 RCC

G-83

G-87

G-90

IIa/Ia

IIa/Ia

IIa

IIa

IIIa

WZII/WZIII

WZII

WZII

WZI

2000 kW

1800 kW

2000 kW

2000 kW

2000 kW

X

X

X

X

60,67,78,100

60,67,78,100

60,67,78,100

60,67,78,100

60,67,78,100

X

X

X

X

X

X

X

X

X

Mul

ti M

WPo

tenc

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Baja

s/M

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Dos robustas plataformas con innovaciones para adaptación al emplazamiento

Gamesa EólicaGrowing with the wind