Ver lo de Micrositting

Consultado en: http://planeolico.iie.org.mx/4tocol/8-ManuelGAMESA.pps#1
Fecha de consulta: 20/09/2009.
4º Coloquio
Internacional
Corredor Eólico del Istmo
ENERGÍA DEL VIENTO
Depende de:
ρ densidad del aire
A Area de barrido del rotor
v velocidad del viento
A
1
1
2
3
PD = ρ v v A = ρ A v
2
2
v
Características viento como combustible:
•Variabilidad espacio-temporal, aleatoriedad
• Viento geostrófico, perfil vertical, rugosidad
Metodología de Evaluación del Potencial Eólico
Recopilación de
datos existentes
Modelización del
Campo de Viento
(extrapolación
espacial)
Instalación de
torres de medida
Control de
calidad de datos
Correlación con
series de
referencia
(extrapolación
temporal)
Parámetros estadísticos
Diseño de parque
Cálculo de la producción
energética de parque
Perfil vertical
Turbulencia
MEDIDAS
Velocidad
¡DURANTE AL MENOS UN AÑO!
Dirección
1Hz, promedio 10 min, 30 min
Temperatura
Presión
TRATAMIENTO DATOS. OBTENCIÓN ESTADISTICOS
Distribución de Weibull
kv
P (v ) =  
A A
k −1
e
v
− 
 A
k
Dos parámetros:
k -> Factor de forma
A -> factor de escala
La distribución de Rayleigh es un
caso especial con k=2
EXTRAPOLACIÓN ESPACIAL:
• 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
E1
E100
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:
H
V
α
V  H 

= 
V0  H 0 
Ley logarítmica:
V*  Z 
V = Ln 
K  Z0 
V* friction vel., K
constant, Z0 roughness
length
H0
V0
Energía del viento
• Potencia disponible en el viento:
1
3
P = ρ ⋅ A⋅ v
2
r: air density
A:area
v: velocity
• Energía disponible
E = P ⋅t
• Energía extraíble
1
Ee = ρ ⋅ A ⋅ v 3 ⋅ t ⋅ C p
2
Cp :coeficiente de potencia
(Cp<0.59)
Cálculo de la producción energética
de un aerogenerador
Wind speed distribution
25
Ti
%
20
15
10
5
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Ea = ∑WiTi
10 11 12 13 14 15 16 17
V (m/s)
i
Power curve
Power (W)
400
300
Wi
200
100
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17
V (m/s)
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.”
Leonardo da Vinci(1452-1519)
EMPLAZAMIENTOS EÓLICOS
Efecto Estela
en Parques Eólicos
POSIBLE PÉRDIDA ENERGÉTICA!!
Clases de aeroturbina. Norma IEC 61400-1
WTGS class
I
II
III
IV
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
•
•
•
•
S
to be specified
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:
(I15, a)
Espectro turbulento de Von Karman
• Componente vertical de viento: 8º
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 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 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
Distancia prevista entre aerogeneradores
Distribución de Weibull
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)
•
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)
1000
800
Anual w ind speed (K=2) 7.50 m/s
Anual w ind speed (k=1.5) 7.50 m/s
700
Anual w ind speed (K=2) 10.00 m/s
900
600
500
400
300
200
100
0
0
10
20
30
40
50
60
Condiciones del emplazamiento. Importancia
VELOCIDADES 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. Importancia
VELOCIDADES EXTREMAS
Frecuencia de la velocidad de viento:
Ajuste a la función de distribución acumulada de Gumbel
16
14
-Ln(-Ln(Frec)
12
y = 0,3523x - 1,938
-Ln(-Ln(Frec ajust))
10
8
6
4
2
0
-2
0
5
10
15
20
25
V (m/s)
30
35
40
45
50
Condiciones del emplazamiento. Importancia
MAPA OROGRÁFICO Y UBICACIÓN (II)
Energía cinética turbulenta
Condiciones del emplazamiento. Importancia
TURBULENCIA AÑADIDA POR ESTELA
• 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
(Fradsen 1996)
I total = 1,2 Ct/St + I 0
2
2
Condiciones del emplazamiento. Importancia
DENSIDAD 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. Importancia
EXPONENTE 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. Importancia
FLUJOS 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. 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
paradas 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:
P(V ) = 1 − EXP (−π (VBUJE / 2·VMEDIA ) 2
LEY DE CORTADURA DEL VIENTO:
V ( z ) = Vbuje ( z / z hub )α
MODELO TURBULENTO:
σ 1 = I15 (15m / s + aVbuje ) /(a + 1)
S ( f ) = 0.05σ 1 (Λ1 / VBUJE ) − 2 / 3 f − 5 / 3
2
Λ1 =
0.7 ZBUJE sí ZBUJE < 30 m.
21 m.
sí ZBUJE > 30 m.
0.60
A
0.50
B
0.40
I 0.30
0.20
0.10
0.00
0
10
20
30
Vhub (m/s)
40
50
RÁFAGA EXTREMA:
VRÁFAGA




σ1


=β
D 

 1 + 0.1( Λ ) 

1 
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
•
V ( z , t ) = V ( z ) − 0.37VRÁFAGA sen(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
45
50 YEARS
40
1 YEAR
Vhub (m/s)
35
30
25
20
15
10
5
0
0
5
10
15
t (s)
20
25
30
CAMBIO DE DIRECCIÓN EXTREMA:






σ1
θ eN (t ) = ± β ·arctan





D
V
1 + 0.1   
BUJE





 Λ1   


donde :
θ eN está compredido entre ± 180º
Λ1 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
θ N (t ) = 0.5·θ eN (1 − cos(πt / T )) para tiempos entre 0 y T
θ N (t ) = θ eN para tiempos menores de t
θ eN (t ) = 0 para tiempos mayores de T
EXTREME DIRECTION CHANGE (EDC) CATEGORY A
50
50 YEARS (+)
40
50 YEARS (-)
1 YEAR
30 (+)
1 YEAR (-)
20
Q (º)
10
0
-5
0
5
10
-10
-20
-30
-40
-50
t (s)
15
20
25
OTRAS CONDICIONES EXTREMAS DE VIENTO:
• RÁFAGA EXTREMA COHERENTE
• RÁFAGA EXTREMA COHERENTE CON CAMBIO DE
DIRECCIÓN
• CORTADURA EXTREMA
• HURACÁN: Ve50 = 1.4·VREF ( z / z BUJE ) 0.11
• VELOCIDAD ANUAL MÁXIMA:
Ve1 ( z ) = 0.75ve50 ( 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
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, 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.
• Topografía y localización de los aerogeneradores.
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
Multi MW
Potencias Bajas/Medias
Tipo de
Producto
Low/Medium
Power
Multi MW
WTG
IEC
G-47
S
G-52
Ia
G-58
DIBT
Potencia
Red Débil
660 kW
WZII
Alturas
de Torres
Bajo
Ruido
60 Hz
40, 45, 55
850 kW
X
44,55,65,74
X
X
IIIb
850 kW
X
44,55,65,74
X
X
G-52 RCC
Ia
800 kW
G-80
IIa/Ia
G-80 RCC
IIa/Ia
G-83
IIa
WZII
2000 kW
X
60,67,78,100
X
X
G-87
IIa
WZII
2000 kW
X
60,67,78,100
X
X
G-90
IIIa
WZI
2000 kW
X
60,67,78,100
X
X
WZII/WZIII
2000 kW
X
44,55,65
X
1800 kW
60,67,78,100
X
60,67,78,100
X
X
Dos robustas plataformas con innovaciones para adaptación al emplazamiento
Gamesa Eólica
Growing with the wind