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)
• 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
• 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
ias
Baja
s/M
edia
s
Dos robustas plataformas con innovaciones para adaptación al emplazamiento
Top Related