Consultado en: http://planeolico.iie.org.mx/4tocol/5-MarcoIIE.pps#1 Fecha de consulta: 20/09/2009. Consideraciones básicas en la selección de aerogeneradores para el Corredor Eólico del Istmo de Tehuantepec Marco A. Borja Instituto de Investigaciones Eléctricas Comisión Electrotécnica Internacional Norma IEC 61400-1: Aerogeneradores. Parte 1: Requisitos de seguridad Propósito principal: proveer el nivel apropiado de protección contra daños de todo tipo de riesgos, durante la vida útil planeada. Considera: Diseño, instalación, mantenimiento y operación bajo condiciones ambientales específicas. Clasificación de aerogeneradores atendiendo a su seguridad por diseño (IEC 61400-1) Clases I II III IV S Vref (m/s) 50 42.5 37.5 30 Vpro (m/s) 10 8.5 7.5 6 Valores que deben ser especificados por el diseñador A I15 (-) a(-) 0.18 2 0.18 2 0.18 2 0.18 2 B I15(-) a(-) 0.16 3 0.16 3 0.16 3 0.16 3 Vref: Velocidad máxima en 10 minutos con período de retorno de 50 años (C. Rotor) Vpro: Velocidad promedio anual a la altura del centro del rotor. A y B: Categoría para características de turbulencia alta y turbulencia baja I15: Valor característico de la intensidad de turbulencia a 15 m/s a: Parámetro usado para cálculo de desviación estándar en el modelo normal de turbulencia Parámetros del Viento en La Venta, mediciones del IIE 2001-2003 Año 2001 2002 2003 2001-2003 Vmáx (m/s) 29.3 31.3 30.7 31.3 Vpro (m/s) 10.55 9.44 10.05 10.02 0.14 0.14 0.14 0.14 I15(-) Medidos a 32 metros de altura Velocidad promedio del Viento en La Venta Altura (m) 2001 2002 2003 2001-2003 50 11.37 10.18 10.83 10.80 60 11.71 10.47 11.14 11.11 Estimada con modelo logarítmico definido en IEC 61400-1, Valor de la cortante = 0.1 metros Norma IEC 61400-1 “La distribución de la velocidad del viento en el sitio es significativa para el diseño de un aerogenerador, porque ella determina la frecuencia de ocurrencia de las condiciones individuales de carga”. En el caso de Aerogeneradores Clase Estándar (I, II, II y IV), se aplica la función de densidad de probabilidad de Rayleigh (caso especial de la f.d.p. de Weibull con k=2). Entonces: π v 2 P(vhub ) = exp − hub 2 2 (Vave ) 4 Vave π vhub Donde: P(vhub) es la probabilidad de ocurrencia de un valor de velocidad del viento a la altura del centro del rotor del aerogenerador Vave es la velocidad promedio anual del viento a la altura del centro del rotor vhub es el valor promedio en 10 minutos de la velocidad del viento a la altura del centro del rotor. F.D.P. de Rayleigh F.D.P. Rayleigh para Vave=10 m/s Frecuencia de ocurrencia (%) 8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 0 5 10 15 20 Velocidad del viento (m/s) 25 30 Distribución de la velocidad del viento en La Venta (32 m) 9.0 8.0 Frecuencia (%) 7.0 6.0 2001 5.0 2002 4.0 2003 3.0 2.0 1.0 0.0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 Velocidad del viento (m/s) Distribución de la velocidad del viento en La Venta (32 m) (2001-2003) 7.0 Frecuencia (%) 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 Velocidad del viento (m/s) 19 21 23 25 Distribución de la velocidad del viento en La Venta (2001-2003) 8.0 7.0 Frecuencia (%) 6.0 5.0 La Venta 60 m 4.0 Rayleigh 10 m/s La Venta 50 m 3.0 2.0 1.0 0.0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 Velocidad del viento (m/s) La Venta 60 metros V>12 m/s 48% del tiempo La Venta 50 metros V>12 m/s 46.7% del tiempo Rayleigh 10 m/s a la altura del centro del rotor V> 12 m/s 31.7 % del tiempo Diferencia a 60 metros 16.9% Diferencia a 50 metros 14.7% • Uno de los estudios más importantes para determinar la vida útil de un aerogenerador es el Análisis por Fatiga. Por ejemplo, aplicando la Regla de Miner, el estado límite se alcanza cuando el daño acumulado excede el valor unitario de acuerdo con la fórmula: Daño = ∑ i ni N (γ mγ nγ f Si ) ≤ 1.0 Donde: ni es la cuenta acumulada de los ciclos de fatiga en el bin i para el espectro de carga, incluyendo todos los casos relevantes. N(.) es el número de ciclos para falla en función del esfuerzo indicado por el argumento. Si es el nivel de esfuerzo asociado con ni, Ym, Yn Yf, son los factores de seguridad parcial para materiales, consecuencias de la falla y cargas, respectivamente. • A cada velocidad de viento estacionaria (i.e., velocidad promedio en 10 minutos), se asocian cargas dinámicas por efecto de la turbulencia. • La turbulencia es mayor para velocidades de viento bajas (i.e., entre (Vinicio y Vnominal) • Por consiguiente: Para estimar adecuadamente la vida útil de un aerogenerador a instalarse en La Venta, es necesario contar con un análisis por fatiga que considere la distribución bimodal de la velocidad del viento en La Venta. Esto, además del análisis para condiciones extremas y la combinación de todos los casos de carga indicados en la norma IEC-61400-1 Distribución espacial de la velocidad del viento en el Corredor Eólico del Istmo de Tehuantepec. Vel30m_GLV (Velprom = 10.03 m/s) Vel32m_IIELV (Velprom = 13.33 m/s) Vel50m_GLV (Velprom = 10.89 m/s) VELOCIDAD ESTACIONARIA DEL VIENTO EN EL MES DE MARZO DE 2004 EN LA VENTA, OAXACA Velprom30m_GLV (Velprom = 6.69 m/s) Velprom32m_IIELV (Velprom = 8.19 m/s) Velprom50m_GLV (Velprom = 7.47 m/s) VELOCIDAD ESTACIONARIA DEL VIENTO EN EL MES DE JULIO DE 2004 EN LA VENTA, OAXACA 18 25 16 Velocidad del Viento (m/s) 14 15 10 12 10 8 6 4 5 2 Día Juliano 213 213 212 211 209 210 208 206 207 205 203 204 202 201 199 Día Juliano 200 198 198 197 195 196 194 193 192 191 190 188 189 187 186 185 184 183 183 91 89 88 87 86 85 84 83 82 81 80 79 78 77 76 75 74 73 72 71 70 69 68 67 66 65 64 63 62 0 61 Velocidad del Viento (m/s) 20 Distribución espacial de la velocidad del viento en el Corredor Eólico del Istmo de Tehuantepec. Noviembre 2002 30.0 25.0 Velocidad del viento 20.0 5 6 15.0 8 10 10.0 5.0 0.0 1 141 281 421 561 701 841 981 1121 1261 1401 1541 1681 1821 1961 2101 2241 2381 2521 2661 2801 2941 3081 3221 3361 3501 3641 3781 3921 4061 4201 Dato del mes Por consiguiente: • La distribución de la velocidad del viento en la mayor parte del Corredor Eólico del Istmo de Tehuantepec es bimodal. • El análisis por fatiga para aplicación óptima de aerogeneradores en cualquier sitio de dicha área, debe ser realizado con base el la distribución bimodal. ¿ A quién debe importarle? • Los fabricantes de aerogeneradores garantizan la operación de sus máquinas por un período determinado, v.g., 3 a 5 años. Después, el mantenimiento mayor, antes del término de la vida útil, constituye un negocio adicional para ellos. • Los financieros se aseguran de que el inversionista pueda pagar la deuda del crédito financiero en los primeros años de operación de la central (v.g., 7 a 12 años). • Las ganancias del inversionista dependen de que los aerogeneradores operen adecuadamente durante toda la vida útil proyectada, y de que los costos de mantenimiento mayor sean iguales o menores que aquellos que se consideraron a priori en el análisis de factibilidad del proyecto. ¡ El inversionista es quien se debe asegurar de aplicar el aerogenerador adecuado! Para dicho fin, se recomienda contar con asesoría técnica especializada que valide información comercial de aerogeneradores. !Muchas Gracias! Marco A. Borja Jefe de Proyectos Eólicos Instituto de Investigaciones Eléctricas [email protected]
