Modelos de Mesoscala: Evaluación del Recurso Eólico.

Modelos de Mesoscala: Evaluación del Recurso Eólico.
Servicio de Evaluación y Predicción Eólica
Modelos de mesoescala
MODELOS NUMÉRICOS para la realización de MAPAS EÓLICOS
Modelos de mesoescala: ecuaciones primitivas
En predicción los modelos de mesoscala se han empleado y se siguen
empleando fundamentalmente para obtener predicciones de viento en los
emplazamientos de interés. La predicción de viento es posteriormente
“transformada” a predicción de potencia eólica.
Desde el punto de vista de evaluación del recurso eólico, los modelos de
mesoscala son una herramienta muy práctica para la generación Mapas del
Recurso Eólico : mapas de viento, de densidad de potencia, mapas de
parámetros Weibull, mapas de anomalías y obtención de series virtuales de
viento.
Modelos de mesoescala
METODOLOGÍA general: de la escala global hasta la escala local.
Escala Global
Escala Mesoscala
L
L
H
Escala Local
L
Modelos de mesoescala
Modelos de mesoescala: ecuaciones primitivas
CFD
MODELOS
MESOESCALA
MODELOS
GLOBALES
Evaluación de los recursos eólicos mediante modelos de mesoescala: Mapas de recurso eólico y
series virtuales
• El uso de los modelos de mesoscala para la evaluación del recurso eólico es
una actividad relativamente reciente.
• El enfoque y la metodología puede variar dependiendo del usuario de los
modelos, pero el objetivo es el mismo: aprovechar las capacidades de los NWP
models para evaluar el viento.
• ¿Cuál es el método? Simple: realizar “simulaciones climáticas”. Ahora nos
interesa la climatología del viento, no la predicción.
Evaluación de los recursos eólicos mediante modelos de mesoescala: Mapas de recurso eólico y
series virtuales
La metodología empleada para realizar simulaciones climáticas en muy
variada.
A pesar de esto, existen ciertos puntos comunes a todas ellas.
1. Datos iniciales.
El modelo con el que vamos a realizar simulaciones necesita unas
condiciones iniciales y de contorno. No hay muchas bases de datos que
cubran grandes periodos de tiempo disponibles: Reanálisis, ya sean de
NCAR/NCEP, del ECMWF o JRA. O datos de análisis/predicción como GFS
o los del ECMWF.
Evaluación de los recursos eólicos mediante modelos de mesoescala: Mapas de recurso eólico y
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2. Simulación climática.

Características generales que debe tener un mapa eólico:


Representar la variabilidad espacial del viento:
•
Efectos sinópticos .
•
Efectos de estabilidad atmosférica (perfil vertical).
•
Capturar los efectos de latopografía.
•
CENER solution:
»
Well tuned mesoscale model for wind simulations.
Representar la variabilidad temporal del viento.
•
•
•
•
Patrón diario del viento.
Variaciones estacionales.
Variación inter-anual.
CENER solution:
»
High resolution simulations (hour by hour).
»
Long term simulations (5 years).
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• SKIRON. Estado Actual. SKIRON “CLIMÁTICO”
MODELO CLIMÁTICO: se ejecuta en cluster (máximo de 13
máquinas de 8 procesadores cada una)
Resolución horizontal: 0.05ºx0.05º (~5 kmx5km)
Resolución vertical: 50 niveles verticales. No nesting, 1 dominio
Resolución temporal: frecuencia output = 1h
Inputs: GFS 12UTC, SST y Snow cover y Snow depth
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series virtuales
GFS
1º x 1º
SKIRON
0.05º x 0.05º
HOURLY
WIND
VALUES
VALIDATION
WAsP_CFD
FILTERING
WINDMAP
MEASURED
8
7
6
5
HOURLY
TIME SERIES
4
3
2
1
V_C
jun-06
abr-06
dic-05
feb-06
oct-05
jun-05
abr-05
V_GFS_Nodo4
ago-05
dic-04
feb-05
oct-04
jun-04
ago-04
dic-03
feb-04
V_Referencia
abr-04
oct-03
WEB
SERVICE
jun-03
0
ago-03
GIS
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series virtuales
Se lanzan 182 ejecuciones del modelo (48 horas horizonte) para simular un
año completo. Para simular 5 años, 5x182=910 ejecuciones en total.
(First run)‫‏‬
01/01/2004:
.
.
. (910 runs)‫‏‬
.
.
31/12/2008:
(Last run)‫‏‬
…………..
48 hourly maps
…………..
48 hourly maps
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series virtuales
•
+
Al final de la simulación a largo
plazo, lo que tenemos es.
++
++
++
+
5(y) x 365(d) x 24(h) = 43800 hourly wind maps
Evaluación de los recursos eólicos mediante modelos de mesoescala: Mapas de recurso eólico y
series virtuales
Evaluación de los recursos eólicos mediante modelos de mesoescala: Mapas de recurso eólico y
series virtuales
• VALIDACIÓN del mapa eólico.
El mapa eólico debe ser validado con datos de:
• Estaciones de Servicios Meteorológicos
• Datos de viento de campañas de evaluación
• Aeropuertos
•…
 Los datos de viento medido deben pasar un control de calidad:
• Control de la secuencia temporal
• Comprobación de los rangos de medida
• Test de los parámetros relacionados
• Test de tendencias
•…
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series virtuales
En el caso del mapa eólico de Túnez contamos con las medidas de 17 torres
meteorológicas, con anemómetros instalados a 20 y 40 m. Esto nos permitió
realizar una validación exhaustiva de la metodología empleada para la
realización de mapas del recurso eólico y las series virtuales derivadas.
TUNISIA WIND MAP
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En el caso del mapa eólico de los Grandes Lagos contamos con las medidas
de 50 torres meteorológicas, la mayor parte de ellas con anemómetros
instalados a 10. Nos permitió validar tanto la metodología empleada para la
realización de mapas del recurso eólico como las series virtuales derivadas, en
onshore y en offshore.
GLOBAL
Low Speed
Mid speed
(WSmes<4,5 m/s)
ALL MET-STATIONS
Bias [m/s]
MAE [m/s]
0.36
0.66
0.96
0.96
Bias [m/s]
MAE [m/s]
0.35
0.74
0.96
0.96
Bias [m/s]
MAE [m/s]
0.36
0.45
---------
High speed
(WSmes>6 m/s)
0.14
0.52
0.11
0.53
-0.11
0.48
-0.36
0.96
0.22
0.36
0.48
0.58
SHORE
OFFSHORE
Evaluación de los recursos eólicos mediante modelos de mesoescala: Mapas de recurso eólico y
series virtuales
VALIDACIÓN de las SERIES VIRTUALES
La validación de series virtuales difiere de la realizada con los mapas
eólicos en varios aspectos:
El comportamiento de la serie a escala horaria y diaria es muy
importante.
Los parámetros estadísticos empleados para validar no se limitan
solamente al bias, sino que también son importantes el MAE, RMSE,
coeficiente de correlación,…
El estudio de la distribución del viento simulado es fundamental para
la estimación energética.
…
Evaluación de los recursos eólicos mediante modelos de mesoescala: Mapas de recurso eólico y
series virtuales
•
Validación en los Grandes Lagos:
1 año de datos: Enero-Diciembre 2009
– SKIRON:
• Resolución: 0.05º, 1hr
• Ciclo: 12hr
• Horizontes: 48hr
– Station ROAM4 - Rock of Ages, MI (National Data Buoy
Center)
47.867 N 89.313 W (47°52'0" N 89°18'48" W)
• Altitud: 183.5 m
• Altura del sensor de temperatura: 46.5 m
• Altura del anemómetro: 46.9 m
Evaluación de los recursos eólicos mediante modelos de mesoescala: Mapas de recurso eólico y
series virtuales
Velocidad de viento [m/s]
Grafica comparativa: datos horarios de velocidad de viento
Datos medidos
Datos Skiron
Fecha/hora
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series virtuales
Datos medidos
Datos Skiron
Evaluación de los recursos eólicos mediante modelos de mesoescala: Mapas de recurso eólico y
series virtuales
•
•
Se han validado las series virtuales generadas mediante Skiron en diferentes emplazamientos,
destacando los resultados en emplazamientos offshore.
Validación en FINO:
6 meses: Enero-Junio 2006
– Disponibilidad datos: 90%
– SKIRON:
• Resolución: 0.05º, 1hr
• Ciclo: 12hr
• Horizontes: 48hr
– Medidas:
• Cazoletas a: 33,40,50,60,70,80,90,100m
• Sónicos a: 40,60,80m
• Veletas a: 33,40,50,70,80,90m
• Temperatura a: 30,40,50,70,100m
• RH at: 33,50,90m
• Velocidades corregidas por el efecto de la torre
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series virtuales
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Sonics
Cups
Fino1
54.014ºN
6.5905ºE
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series virtuales
Level
90m
50m
Um [m/s]
k
A [m/s]
Um [m/s]
k
A [m/s]
Measurements
9.55
2.42
10.75
9.01
2.54
10.12
Skiron
9.55
2.42
10.75
8.96
2.52
10.07
Deviation [%]
-0.01%
0.00%
0.00%
-0.54%
-0.79%
-0.49%
Evaluación de los recursos eólicos mediante modelos de mesoescala: Mapas de recurso eólico y
series virtuales
MAPAS DE RECURSO EÓLICO.
Mapas de viento medio de una región de interés a una resolución final de
1kmx1km
El viento medio es representativo de los últimos 7-8 años.
El campo de viento medio se calcula directamente a la altura de buje.
Rosas de viento y distribución de probabilidad en puntos representativos.
En formato GIS (capa de viento medio, topografía, parques naturales, …
cualquier capa de información disponible).
MAPAS DE DENSIDAD ENERGÉTICA
MAPAS DE PARÁMETROS WEIBULL
MAPAS DE ANOMALÍAS DE VIENTO Y POTENCIA
Evaluación de los recursos eólicos mediante modelos de mesoescala: Mapas de recurso eólico y
series virtuales
Formato GIS
Formato kmz, compatible con Google Earth
Modelos de mesoescala
Cómo puedo usar estos mapas del recurso eólico?
Modelos de mesoescala: ecuaciones primitivas
Sabiendo que el límite de los modelos de mesoscala está en la escala de
los 3-5 Km.
Aportan información muy útil para el desarrollo de la energía eólica a
escala regional y nacional.
Los mapas ayudan a planificar campañas de medidas.
Con información adicional, es una herramienta excelente para seleccionar
emplazamientos viables para la implantación de parques eólicos.
Si queremos estudiar efectos locales, la escala que va de 1 km a unos
pocos metros, debemos emplear otro tipo de modelos de mayor resolución.
Estos modelos son necesarios para dar cuenta de los fenómenos locales
(topografía, vegetación, obstáculos artificiales, estelas,…) que afectan al
viento.
Metodología downscaling para la generación de series de viento virtuales y mapas eólicos de
alta resolución
•
Downscalling con WAsP. Objetivo y utilidades: Aplicar los efectos locales de aceleración
provocados por la topografía a las series virtuales generadas con el modelo de mesoescala Skiron
SKIRON
0.05º x 0.05º
HOURLY
WIND
VALUES
WAsP
SRTM
Ad FACTOR
HIGH RESOLUTION
WUND MAPS
HOURLY
TIME SERIES
Metodología downscaling para la generación de series de viento virtuales y mapas eólicos de
alta resolución
•
Se ha realizado una validación en 68 estaciones, localizadas en terreno sencillo y
complejo en Navarra, Granada, Picos de Europa y Túnez.
•
Para validar los resultados se han estudiando los siguientes parámetros estadísticos:
Estación
PROMEDIO
Estación
PROMEDIO
BIAS
V media
estacion
(06-07)
Indice
RIX
3.50
8.94
V media
estacion
(06-07)
Indice
RIX
3.50
8.94
Pto.cercano
Skiron 0.05
SRTM 50 m
resolucion
SRTM-Rix 50 m
resolucion
1.13
1.19
0.91
SRTM-Rix Speed
Up 50 m
resolucion
0.96
MAE
Pto.cercano
Skiron 0.05
SRTM 50 m
resolucion
SRTM-Rix 50 m
resolucion
1.96
1.84
1.61
SRTM-Rix Speed
Up 50 m
resolucion
1.65
Metodología downscaling para la generación de series de viento virtuales y mapas eólicos de
alta resolución
BIAS: distribución de probabilidad
Distribución de Bias
45
40
Pto.cercano Skiron
0.05
35
SRTM 50 m
resolucion
30
%
25
SRTM-Rix 50 m
resolucion
20
15
SRTM-Rix Speed
Up 50 m resolucion
10
5
0
-5.5 -4.5 -4.5 -3.5 -3.5 -2.5 -2.5 -1.5 -1.5 -0.5
-0.5 0.5
0.5 1.5
Bias [m/s]
1.5 2.5
2.5 3.5
3.5 4.5
4.5 5.5
5.5 6.5
Metodología downscaling con CFD
• Simulación numérica de leyes físicas que gobiernan el movimiento de fluidos.
• Leyes físicas
Ecuaciones diferenciales (continuidad, cantidad de movimiento, energía, turbulencia,
transporte de escalares) Resolución en un dominio geométrico dividido en celdas, dando lugar a una
malla.
• Ventajas con respecto a técnicas experimentales:
– Descripción completa del campo fluido en todo el dominio
– Observar sin perturbar el campo fluido
– Observar zonas de difícil o costoso acceso
– Diseño rápido de prototipos
• Desventajas:
– Siempre validar el modelo con medidas experimentales o soluciones analíticas
– Bastante formación y experiencia
– Costoso‫‏‬computacionalmente‫(‏‬cada‫‏‬vez‫‏‬menos…)‫‏‬
• Ecuaciones diferenciales de fluidos sólo tienen solución analítica en casos muy particulares
• Solución exacta -> inviable desde el punto de vista computacional MODELOS (= simplificaciones de la
realidad)‫‏‬
•CENER cuenta con modelo de viento CFDWind2.0 y modelo de estelas: CFDWake
GIS Capabilities
•
•
•
Geographic Information System program (ArcGis 9.3.1).
Input data (layers):
• wind speed,
• significant wave height,
• energy production (wake losses),
• water depth,
• distance to the coast,
• environmental restriction
Outputs:
• Suitable areas to install the offshore wind farm
Suitable area
Spain
•
•
•
•
•
Wind Speed, Skiron long term
simulation.
Significant wave height, computed with
the WAM4 prediction Model.
SKIRON and WAM4 grid resolution
0.05º x 0.05º.
Water depth, obtained from the nautical
charts.
Distance to the coast and
environmental restriction are gives by
the Spanish Government
CENER
[email protected]
www.cener.com
T: + 34 948 252 800