4º Coloquio Internacional Corredor Eólico del Istmo

4º Coloquio

Internacional

Corredor Eólico del Istmo

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

Características viento como combustible:

•Variabilidad espacio-temporal, aleatoriedad • Viento geostrófico, perfil vertical, rugosidad

3 2

2

1

2

1

v

A

A

v

v

P

=

ρ

=

ρ

ENERGÍA DEL VIENTO

ρ densidad del aire

A Area de barrido del rotor v velocidad del viento

Depende de:

A

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 A v k

e

A

v

A

k

v

P













=

)

(

Dos parámetros:

A -> factor de escala La distribución de Rayleigh es un caso especial con k=2

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

Ley Potencial:

Ley logarítmica:

Energía del viento

•

Potencia disponible en el viento:

•

Energía disponible

•

Energía extraíble

2

1

v

A

P

=

ρ

⋅

⋅

t

P

E

=

⋅

A

v

t

C

E

=

⋅

⋅

⋅

⋅

2

1

_ρ

Cálculo de la producción energética

de un aerogenerador

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) %

∑

=

W

T

E

EMPLAZAMIENTOS EÓLICOS

VIENTOS LOCALES:Aceleración flujo por ascenso

“El viento atravesando las cimas de las montañas se hace

veloz y denso, y cuando sopla fuera de ellas se vuelve ligero y lento, como el agua que sale de un canal estrecho y va a desembocar al mar.”

EMPLAZAMIENTOS EÓLICOS

Efecto Estela

en Parques Eólicos

•

Vida de diseño 20 años.

•

Condiciones de viento normales.

•

Condiciones de viento extremas.

•

Otras condiciones medioambientales:tª

ambiente, humedad, salinidad, densidad del

aire, hielo...

Norma IEC 61400-1

Condiciones de viento normales

•

Distribución anual: tipo weibull (K=2)

•

Perfil vertical: ley exponencial a=0,2

•

Modelo de turbulencia normal:

(I

, a)

Espectro turbulento de Von Karman

Verificación de las condiciones de viento

información 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 V_ref (obtenida a través de correlación a largo plazo con estaciones meteorológicas

cercanas)

• Velocidad máxima histórica V_e50 (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 un periodo 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

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 extremos Las distribuciones con K baja dan valores mas bajos de produccion

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

Condiciones del emplazamiento.

• 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

Condiciones del emplazamiento.

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 50 V (m/s) -Ln(-Ln(Frec) -Ln(-Ln(Frec ajust))

Condiciones del emplazamiento. Importancia MAPA OROGRÁFICO Y UBICACIÓN (II)

Condiciones del emplazamiento.

• En caso de encontrarse las máquinas en estela de otra u

otras situadas a barlovento a la turbulencia propia del emplazamiento se le añade la que ocasiona la estela de las máquinas 2 0 2 total

1,2

Ct/St

I

I

=

+

Condiciones del emplazamiento.

• 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.

• 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.

• 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. Importancia

MAPA 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 en sensores meteo produce

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

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 )

(V EXP V_BUJE V_MEDIA

P = − −π

LEY DE CORTADURA DEL VIENTO:

α ) / ( ) (z V_buje z z_hub V = MODELO TURBULENTO: ) 1 /( ) / 15 ( 15 1=I m s+aVbuje a+ σ 3 / 5 3 / 2 1 2 1 ( / ) 05 . 0 ) (f = Λ V − f− S σ _BUJE 0.7 ZBUJE sí ZBUJE < 30 m. 1 Λ = 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 50 Vhub (m/s) I A B

RÁFAGA EXTREMA:             Λ + = ) ( 1 . 0 1 1 1 D V_RÁFAGA β σ

b = 4.8 para ráfaga anual

b = 6.4 para ráfaga de los 50 años D = Diámetro del rotor

L1= es el parámetro de escala turbulenta

s1= es la desviación estándar de la velocidad del viento

• V(z,t)=V(z)−0.37V_RÁFAGAsen(3·πt/T)·(1−cos(2·πt/T))

para tiempos entre 0 y T

• V(z) 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 30 t (s) V h u b ( m /s ) 50 YEARS 1 YEAR

CAMBIO DE DIRECCIÓN EXTREMA:                           Λ + ± = 1 1 1 . 0 1 ·arctan ) ( D V t BUJE eN σ β θ donde : eN

θ está compredido entre ±180º

1

Λ 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 ) (t _eN t T N θ π

θ = − para tiempos entre 0 y T

eN N t θ

θ ( )= para tiempos menores de t

0 ) (t =

eN

θ 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: 0.11 50 1.4· REF( / BUJE) e V z z V =

• VELOCIDAD ANUAL MÁXIMA: V_e1(z)= 0.75v_e50(z)

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

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, México

Datos 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.

Condiciones Eólicas Istmo Tehuantepec,

Oaxaca, México

Aerogeneradores para el Istmo

Por 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 Producto

Modelos y versiones

Tipo de

Producto WTG IEC DIBT Potencia Red Débil

Alturas de Torres Bajo 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 MW P ot enc ias B aj as /Medi as

Gamesa Eólica