II Master Energía Solar y Renovables-T3_Medición y Tratamiento de Los Datos Viento

II Mster Energa Solar y Renovables

Mdulo: Energa elica

Tema 3: Medicin y tratamiento de los datos de viento

II Mster de Energa Solar y Renovables: Mdulo Energa Elica ndice Tema 3: Medicin y tratamiento de los datos de viento

1. Medicin del viento. 1.1. Instrumentacin. 1.1.1. Anemmetros. 1.1.2. Veletas. 1.1.3. Sensores meteorolgicos. 1.1.4. Balizamiento. 1.2. Torres meteorolgicas. 1.2.1. Soportes para la instrumentacin. 1.3. Sistema de adquisicin de datos.

2. Campaa de medicin del viento. 3. Tratamiento de los datos de viento.

3.1. Leyes de distribucin de la direccin del viento. 3.2. Ley de la distribucin de la velocidad del viento de Weibull.

4. Correlacin histrica de los datos de viento. 5. Evaluacin de la produccin energtica.

5.1. Produccin energtica ideal o bruta. 5.2. Produccin energtica neta. 5.3. Horas elicas equivalentes .

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II Mster de Energa Solar y Renovables: Mdulo Energa Elica ndice Tema 3: Medicin y tratamiento de los datos de viento

5.4. Factor de utilizacin. 6. Variacin de la velocidad horizontal.

6.1. Capa superficial. 6.2. Variacin de la velocidad por cambio de posicin. 6.3. Disposicin de los aerogeneradores.


1. Medicin del viento

Los instrumentos de medida necesarios en energa elica son:

- Anemmetros para medir la velocidad del viento.

- Veletas para medir la direccin.

- Termmetros para medir la temperatura ambiente del aire.

- Barmetros para medir la presin atmosfrica ambiental.

En general, la seal que proviene de los instrumentos de medida est conectada a un sistema de registro de diversos tipos:

- Un dispositivo de integracin.

- Un indicador.

- Un dispositivo de grabacin, por ejemplo, el soporte magntico o electrnico.


1.1. Instrumentacin

1.1. Instrumentacin

Los anemmetros son los instrumentos utilizados para determinar la velocidad del viento.

Pueden clasificarse segn su principio de operacin.


1.1.1. Anemmetros

Anemmetros de rotacin

(cazoletas o hlice)

Anemmetros

de presin

Anemmetros

de hilo electrocalentado

Anemmetros snicos Otras tcnicas

1.1. Instrumentacin

Anemmetros de rotacin

Estos anemmetros se componen de dos partes: el molinete y el transductor.

El molinete puede estar constituido:

Cazoletas: el eje de rotacin es perpendicular a la componente del viento medida.

Rotor: el eje de rotacin es paralelo a la componente medida.

El transductor asegura la conversin de la velocidad de rotacin en una seal utilizable para la medida.

- Los anemmetros debern estar bien calibrados, porque en caso contrario la velocidad de rotacin del molinete no vara linealmente con la velocidad del viento, sobretodo en los valores del viento prximas al umbral de la velocidad de arranque o a la velocidad mxima del anemmetro.

- Los valores tpicos para el umbral de arranque oscilan entre 0,5 y 1,2 m/s.

- Los anemmetros mecnicos son los ms utilizados, aunque los anemmetros no mecnicos tienen la ventaja de ser menos sensibles a la formacin de hielo.

- Los anemmetros de cazoletas ampliamente utilizados y existen modelos con ejes y cazoletas calentados elctricamente.


1.1.1. Anemmetros

1.1. Instrumentacin

Anemmetro de cazoletas

- Consiste en tres o cuatro cazoletas montadas simtricamente alrededor de un eje vertical.

- La fuerza que ejerce el aire en el lado cncavo es mayor que en el lado convexo, la rueda de cazoletas gira.

- La velocidad de rotacin es proporcional a la velocidad del viento. Dicha rotacin puede medirse de varios modos: contando mecnicamente el nmero de revoluciones, conectando el eje de la rueda de cazoletas a un pequeo generador elctrico y midiendo el voltaje instantneo, o a un interruptor optoelctrico y midiendo su salida.


1.1.1. Anemmetros

- La principal ventaja de los anemmetros de cazoletas es que miden las dos componentes horizontales del viento.

- Los anemmetros de tres cazoletas semicnicas son preferentemente los ms usados.

1.1. Instrumentacin

Anemmetro de hlice o rotor

- Se utiliza cuando se quiere conocer la velocidad del viento en una direccin particular.

- Normalmente se coloca un conjunto de dos o tres anemmetros de hlice en planos perpendiculares para obtener las componentes de velocidad sobre los ejes principales (horizontales y vertical).

- A veces se utiliza un anemmetro de hlice asociado a un sistema de orientacin tipo veleta, para medir la componente horizontal de la velocidad de viento.

Anemmetros de presin

- La medida de la velocidad del viento se registra mediante los efectos de las variaciones de presin que ejerce el aire cuando se mueve.

- Estn encaminados ms que a medir la velocidad del viento a medir la rafagosidad, mediante galgas extensomtricas acopladas a una esfera perforada, midiendo as la magnitud y direccin del viento.


1.1.1. Anemmetros

1.1. Instrumentacin

Anemmetros de hilo electrocalentado

- Miden la velocidad a travs del efectos de enfriamiento del viento. Mediante pequeas diferencias de temperatura entre los cables situados en el viento y en la sombra del viento (cara a sotavento).

- La principal ventaja de estos equipos es su pequea constante de tiempo, aunque por el contrario, son equipos muy delicados.

Anemmetro snico

- El sonido viaja a travs del aire en reposo a una velocidad conocida. Sin embargo, cuando el aire est en movimiento esta velocidad aumenta o disminuye correlativamente.

- Equipos con una constante de tiempo muy baja y de gran resolucin en la medida, aunque son caros y no pueden transportarse.

- Utilizados mayoritariamente en los equipos de medida de los aerogeneradores.

Otras tcnicas

Dentro de este grupo se incorporan el anemmetro lser, ultrasnico y el anemmetro SODAR, de efecto Doppler.


1.1.1. Anemmetros

1.1. Instrumentacin

Las veletas son el elemento empleado tradicionalmente para medir la direccin del viento es una veleta, que consiste en un dispositivo montado sobre un eje vertical y de giro libre, de tal modo que puede moverse cuando el viento cambia de direccin.

- Normalmente, el movimiento de la veleta est amortiguado para prevenir cambios demasiado rpidos de la direccin del viento.

- El transductor asociado a la veleta es un convertidor de ngulo. Hay diversos tipos de convertidores, aunque el ms utilizado es el potencimetro.


1.1.2. Veletas

As mismo, puede obtenerse una medida de la direccin del viento resolviendo los registros de salida de dos anemmetros de hlice dispuestos ortogonalmente.

1.1. Instrumentacin

Medida de la temperatura

La medida de la temperatura se utiliza para la determinacin de la potencia suministrada, as como para evaluar la climatologa local en emplazamientos de parques elicos.

Los termmetros corrientes basados en un elemento de resistencia de platino son los ms utilizados.

Suelen ir acompaados de higrmetro para la medida de la humedad del aire.

Medida de la presin atmosfrica


1.1.3. Sensores meteorolgicos

La presin atmosfrica se utiliza para la determinacin de la potencia suministrada en una instalacin elica. Generalmente se utiliza un barmetro meteorolgico.

1.1. Instrumentacin

Si las torres meteorolgicas tienen una estructura superior a 45 metros de altura deber suministrarse e instalarse en cada una de las torres un sistema de balizamiento nocturno consistente en tres luces rojas, tipo LED de bajo consumo y larga duracin con regulacin y alimentacin autnoma y seguro a fallo, en conformidad con la normativa de Aviacin Civil Internacional.

Las caractersticas del balizamiento sern:

- Balizas tipo LED de alta intensidad y bajo consumo (120 mA/h).

- Luz roja fija omnidireccional con luminosidad > 10 candelas.

- Alimentacin 12 V mediante panel solar propio, regulador y batera.

- Rangos de funcionamiento: 0-100% humedad y -30C - +85C


1.1.4. Balizamiento


La estructura principal de las torres meteorolgicas pueden ser: Tipo tubular o de celosa. Adems, estas pueden ser bien arriostrada o autoportante.

- Deben estar diseadas para poder soportar la velocidad mxima de viento del emplazamiento.

- La altura de la torre depender de las medidas realizadas. En primer lugar se realiza un estudio del emplazamiento y despus un estudio con torres de altura igual a la altura del rotor del aerogenerador.

- Debern estar pintadas con pintura resistente a la intemperie y segn la normativa de Aviacin Civil Internacional.

- Debern estar provista de escalera de acceso, con sistema anticadas homologado y provista de descansillos, diseados para soportar el esfuerzo mximo de cada de un trabajador.

- Debern estar provista de sistema de p.a.t segn ITC-BT-18. Deber estar dotada de: Pararrayos ( 50 cm), cable de derivacin (50 mm2) y anillo equipotencial.


1.2. Torres meteorolgicas


Los soportes son necesarios para la instalacin de la instrumentacin, sern fabricados en acero inoxidable y de tipo lateral.

Los soportes laterales debern arriostrarse a dos ejes, mediante sendos jabalcones de similares caractersticas constructivas a las de los propios soportes y ubicados siempre a cota inferior o igual a la del soporte.

La orientacin de los soportes como regla general debe ser a 45 de la direccin de viento predominante y hacia la direccin de viento secundaria.

Deben tener una longitud tal que sea superior a 6 veces la seccin de la torre en ese punto, de acuerdo a la norma IEC-61400-12-1.


1.2.1. Soportes para la instrumentacin


Los sensores han de estar ubicados en lugares bien expuestos a todas las direcciones y sin obstculos en los alrededores.

- La altura estndar de medicin es de 10 metros sobre el suelo, con el fin de poder establecer comparaciones homogneas.

- En el caso de evaluacin de una determinada mquina, conviene realizar las medidas a la altura del buje, con el fin de reducir las posibles incertidumbres.


1.2.1. Soportes para la instrumentacin

Altura de buje aerogenerador

Dimetro Rotor Aerogenerador

Altura Torre de parque h H

h anemo 1 horizontal- buje ha1 H+0.75

h Anemo 2 horizontal-control ha2 H+0.75

h Anemo 3 horizontal-punta pala ha3 H-(D/2)+0.75

h anemo vertical ha4 ha1-2

h veleta superior hv1 ha1-1.5

h veleta inferior hv2 ha3-1.5

h Barmetro, Higrmetro hmet H-2

H

D


Los datos de velocidades y direcciones del viento obtenidos por los anemmetros y las veletas son recogidos en un registrador de datos (data logger). Adems, el registrador tambin recibe los datos de temperatura, presin y humedad.

Las medidas de las velocidades y la direccin del viento son medidas en medias diezminutarias (cada 10 minutos).


1.3. Sistema de adquisicin de datos

La transmisin de los datos se puede realizar mediante una tarjeta de datos GPRS o bien mediante la instalacin de fibra ptica existente en el parque elico una vez construido.

La alimentacin de estos equipos se realiza mediante bateras que son cargadas con placas fotovoltaicas o bien mediante una alimentacin de B.T desde uno de los aerogeneradores prximos al parque una vez construido el parque.

2. Campaa de medicin del viento

En la campaa de medidas del viento consiste en:

Medida del viento para la evaluacin del recurso elico y disposicin de aerogeneradores

Instalacin de una o varias torres meteorolgicas con instrumentacin situada a 10-30 metros o 20-40 metros.

Se recogern datos durante un tiempo suficiente para queden reflejados: Las variaciones estacionales del viento en la zona, la caracterizacin de la distribucin espacial del recurso elico y el perfil vertical de la velocidad del viento.

Calibracin de la curva de potencia del aerogenerador

Instalacin de dos torres meteorolgicas de altura igual a la altura que se sita el rotor. Situando una en la posicin del eje del aerogenerador y otra, estacin de referencia, a dos dimetros de distancia para correlacionar los datos de la velocidad del viento con la potencia entregada por el aerogenerador.

Medida del viento durante la explotacin del parque elico

Durante la explotacin del parque elico se recogen datos en una o varias torres meteorolgicas, que bien pueden ser las estaciones de referencia o en otras posiciones.


3. Tratamiento de los datos de viento

La distribucin de direcciones de viento es de vital importancia a la hora de ubicar las turbinas elicas en terrenos no uniformes o formando varios conjuntos de ellas, e incluso para conocer la variabilidad direccional del rgimen de vientos al que debe responder el sistema de orientacin de la mquina.

Rosa de los vientos

La rosa de las frecuencias normalizada se obtiene a partir de las frecuencias de ocurrencia observadas en intervalos de direccin y velocidad dados.

Lo ms habitual es dividir los 360 en 16 sectores:

- N, NNE, NE, ENE, E, ESE, SE, SSE, S, SSO, SO, OSO, O, NO, NNO

- Cada sector corresponde a 22,5; correspondiendo el N desde 348,75 a 11,25, el NNE desde 11,25 a 33,75, etc.


3.1. Leyes de distribucin de la direccin del viento


La rosa de los vientos se trata de un sistema de un diagrama polar que representa el tanto por ciento de viento con la direccin indicada y, en mdulo, su escala de velocidad media.

De la misma forma se puede aadir en el mismo diagrama la potencia en funcin de la direccin, para lo cual se emplea la expresin de la potencia disponible a la velocidad media de cada orientacin. Rosa de viento de potencias.

Ahora multiplicando la potencia de cada orientacin por el tiempo (nmero de horas) que el viento viene en cada direccin, se obtiene la rosa de energa, que refleja la contribucin energtica de cada orientacin.

Otra caracterstica que puede representarse es la rosa de los vientos de turbulencia, definindose:



=




0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00N

NNE

NE

ENE

E

ESE

SE

SSE

S

SSO

SO

OSO

O

ONO

NO

NNO

Rosa de los vientos de energa

0

5

10

15

20

25

N

NN

E

NE

ENE E

ESE

SE

SSE S

SSO

SO

OSO O

ON

O

NO

NN

O

Ve

loci

dad

me

dia

(m

/S)

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

N

NN

E

NE

ENE E

ESE

SE

SSE S

SSO

SO

OSO O

ON

O

NO

NN

O

Ene

rga

(%

)

0

5

10

15

20

25N

NNE

NE

ENE

ENE

ESE

SE

SSE

S

SSO

SO

OSO

O

ONO

NO

NNO

Rosa de los vientos de frecuencia


Rosa de las rugosidades

La rosa de las rugosidades sirve para describir la rugosidad del terreno en diferentes direcciones desde el futuro emplazamiento de una turbina elica.

Las divisiones en las que se divide la rosa de las rugosidades debern ser las mismas que la rosa de los vientos.

La rugosidad no caer en una clase de las rugosidades, por lo que tendremos que hallar una rugosidad media. Nos preocuparemos sobretodo de la rugosidad media de las direcciones de viento predominante.



0

0,1

0,2

0,3

0,4N

NNE

NE

ENE

E

ESE

SE

SSE

S

SSO

SO

OSO

O

ONO

NO

NNO

Rosa de las rugosidades

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

N

NN

E

NE

ENE E

ESE

SE

SSE S

SSO

SO

OSO O

ON

O

NO

NN

O

Ru

gosi

dad

n


El conocimiento de la ley distribucin de probabilidades de velocidades de viento (funcin densidad de probabilidad, p(v)), es muy importante a la hora de determinar el potencial elico disponible, adems de para otros parmetros energticos de inters. Se expresa por medio de la expresin:

siendo

A factor de escala, [m/s];

k factor de forma, que caracteriza la disimetra de la distribucin, adimensional.


3.2. Ley de distribucin de la velocidad del viento de Weibull

=

1

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0-1

1-2

2-3

3-4

4-5

5-6

6-7

7-8

8-9

9-1

0

10

-11

11

-12

12

-13

13

-14

14

-15

15

-16

16

-17

17

-18

18

-19

19

-20

20

-21

21

-22

22

-23

23

-24

>2

5

Pro

bab

ilid

ad p

(V)

Velocidad del viento (m/s)

Distribucin de Weibul


La distribucin de Weibull, permite la evaluacin de varias propiedades importantes de las caractersticas del viento en funcin de los parmetros c y k, a partir de las siguientes expresiones:

Probabilidad de que existan velocidades de viento inferiores a una determinada vx, (frecuencia acumulada):

Probabilidad de que existan velocidades de viento entre dos lmites de inters Vx y Vy:



=

0

= 1

=

=


La velocidad media

=

0

= 1 +1

donde (n) re representa el valor que toma la funcin definida por

=

0

1

Estos valores se pueden encontrar tabulados. Para calcular la funcin para valores mayores de n2, se har uso de la propiedad + 1 =

La varianza de la distribucin

2 = ( )2

0

= 2 1 +2

2 1 +

1




La media del cubo de la velocidad del viento:

3 = 3

0

= 3 1 +3

El factor de irregularidad:

=3

3= 1 +

3

1 +1




Funcin gamma



n (n) n (n) n (n) n (n) n (n)

1,00 1 1,20 0,91817 1,40 0,88726 1,60 0,89352 1,80 0,93138 1,01 0,99433 1,21 0,91558 1,41 0,88676 1,61 0,89468 1,81 0,93408

1,02 0,98884 1,22 0,91311 1,42 0,88636 1,62 0,89592 1,82 0,93685 1,03 0,98355 1,23 0,91075 1,43 0,88604 1,63 0,89724 1,83 0,93969

1,04 0,97844 1,24 0,90852 1,44 0,88581 1,64 0,89864 1,84 0,94261 1,05 0,9735 1,25 0,9064 1,45 0,88566 1,65 0,90012 1,85 0,94561

1,06 0,96874 1,26 0,9044 1,46 0,8856 1,66 0,90167 1,86 0,94869 1,07 0,96415 1,27 0,9025 1,47 0,88563 1,67 0,9033 1,87 0,95184 1,08 0,95973 1,28 0,90072 1,48 0,88575 1,68 0,905 1,88 0,95507

1,09 0,95546 1,29 0,89904 1,49 0,88595 1,69 0,90678 1,89 0,95838 1,10 0,95135 1,30 0,89747 1,50 0,88623 1,70 0,90864 1,90 0,96177

1,11 0,9474 1,31 0,896 1,51 0,88659 1,71 0,91057 1,91 0,96523 1,12 0,94359 1,32 0,89464 1,52 0,88704 1,72 0,91258 1,92 0,96877

1,13 0,93993 1,33 0,89338 1,53 0,88757 1,73 0,91467 1,93 0,9724

1,14 0,93642 1,34 0,89222 1,54 0,88818 1,74 0,91683 1,94 0,9761

1,15 0,93304 1,35 0,89115 1,55 0,88887 1,75 0,91906 1,95 0,97988 1,16 0,9298 1,36 0,89018 1,56 0,88964 1,76 0,92137 1,96 0,98374 1,17 0,9267 1,37 0,88931 1,57 0,89049 1,77 0,92376 1,97 0,98768

1,18 0,92373 1,38 0,88854 1,58 0,89142 1,78 0,92623 1,98 0,99171 1,19 0,92089 1,39 0,88785 1,59 0,89243 1,79 0,92877 1,99 0,99581


Mtodos para determinar los parmetros c y k de Weibull

Si se tiene una muestra de datos correspondiente a un largo periodo de tiempo, ordenados por intervalos de velocidades (Vi) y conocidas las frecuencias acumuladas de cada intervalo (pi), los parmetros c y k pueden obtenerse por ajuste de mnimos cuadrados a partir

= = 1

ln 1 =

ln ln 1 = k ln + ln

Esta ecuacin representa una recta de la forma = + , donde

= ln ln 1 = ln

= ln =




Mtodos para determinar los parmetros c y k de Weibull

Con las mediciones del viento realizadas en la campaa de medidas, conocemos la velocidad media Vm y la desviacin tpica . Por tanto es posible calcular los coeficientes de la distribucin de Weibull.

El factor de forma, queda definido:

=

1,086

Siendo su valor satisfactoria 1k10 (generalmente 1k2,5).

El factor de escala se obtiene a partir del factor de forma, mediante:

=

1 +1




En las siguientes grficas se puede observar el comportamiento de la distribucin de Weibull:

Factor de escala A = 7 m/s y variando el factor de forma



0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

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

Pro

bab

ilid

ad (

%)


Distribucin de Weibull

k=2

k=3

k=4


Factor de forma k = 2 y variando el factor de escala



0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

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

Pro

bab

ilid

ad (

%)


Distribucin de Weibull

A=7A=8A=9


Expresin de Weibull con vientos en calma

La expresin de Weibull no tiene en cuenta las observaciones del viento en calma p(0)=0. Pero en las medidas llevadas a cabo por los anemmetros, registran las calmas y se han de tener en cuenta en la expresin de Weibull.

La expresin de Weibull que resulta al considerar las observaciones de viento en calma ser, segn Fable, Brown y Davis (1978):

siendo:

F0 probabilidad de encontrar vientos en calma, o frecuencia de aparicin de estas observaciones;

(V) la funcin de Dirac. La funcin de Dirac se definir con (V)=1 cuando existen vientos en calma y (V)=0 en caso contrario.



= 0 + 1 0

1


Expresin de Weibull con vientos en calma

En este caso nos encontramos:

= 1 0 1 +1

= 0 + 1 + 0 1

3 = 1 0 3 1 +

3

2 = 1 0 2 1 +

2

2



4. Correlacin histrica de los datos de viento

La campaa de medicin de los datos de vientos del emplazamiento suelen corresponder a un ao, para observar las variacin estacional del viento. Pero con estos datos slo es posible la estimacin a corto plazo.

Para la estimacin a largo plazo es necesario adicionalmente un factor que tenga en cuenta el histrico de la zona.

Para hacer una estimacin del recurso elico a largo plazo es necesario el uso de un observatorio de referencia con un perodo de medidas de varios aos, de modo que se puedan comparar las medidas obtenidas durante la campaa con las que se obtendran en un ao medio.

Segn recomendaciones internacionales se debe emplear una referencia con diez aos de datos, aunque en la mayora de los emplazamientos bastan cinco aos para obtener muy buenos resultados.



La determinacin del comportamiento elico del emplazamiento a largo plazo, se ha de efectuar correlaciones entre las velocidades medias diarias registradas en un periodo comn de registro entre la mediciones del emplazamiento (estacin P) y la estacin de referencia (estacin R).

La correlacin de los datos de viento a largo plazo se expresan matemticamente en una recta de regresin con un coeficiente de correlacin.

= ax + b; 2 = a + b;

2


y = 0,9227x + 0,3209 R = 0,9632

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Esta

ci

n d

e p

arq

ue

(P

)

Estacin de Referencia (R)

Correlacin histrica del viento


La expresin matemtica de la recta de regresin en funcin de los valores estadsticos del viento es:

=

=

siendo:

VP VR Velocidad del viento en las estaciones del emplazamiento P y de referencia R;

r coeficiente de correlacin;

desviaciones tpicas de los valores de las velocidades de las estaciones.

El coeficiente de correlacin se obtiene a partir de la covarianza y de las desviaciones tpicas.

=

=



El coeficiente de correlacin es un ndice numrico que nos informa de la magnitud y la direccin de la relacin entre dos variables, en este caso los valores de la velocidad en la estacin del parque P y en la estacin de referencia R.

Magnitud del coeficiente de correlacin: se mide por el valor absoluto del coeficiente. El valor del coeficiente de correlacin puede ser -1r1.

Un valor unitario indica una correlacin perfecta, ya sea negativa o positiva, sin embargo sin correlacin tendr un valor nulo.

Direccin del coeficiente de correlacin: se mide por el signo del coeficiente.

- Positivo: son directamente proporcionales (aumentan las dos variables).

- Negativo: son inversamente proporcionales (si aumenta una variable la otra disminuye).


Valor absoluto de r Grado de asociacin

0,8 - 1,0 Fuerte

0,5 0,7 Moderado

0,2 0,4 Dbil

0 0,1 Insignificante


El factor de correccin histrica del viento modificar en la expresin de Weibull el factor de forma, siendo directamente proporcional, sin embargo el factor de forma permanecer invariable.

Conocida la velocidad media en la estacin de referencia a la largo plazo , para cinco o diez aos, se puede conocer la velocidad media en la estacin de parque a largo plazo , de la siguiente forma:

= a + b

Siendo los valores a y b los obtenidos de la recta de regresin = a + b; 2 que

nos da la correlacin entre los valores de la estacin de referencia y la estacin de parque.

Por ltimo, el factor de correlacin histrico se definir:

=

Siendo la velocidad media del viento en la campaa de medidas del viento.


5. Evaluacin de la produccin energtica

El mtodo ms utilizado para estimar el potencial de produccin de electricidad de un aerogenerador durante un perodo especfico, consiste en integrar el producto de su curva de potencia P(V) por la funcin de probabilidad de Weibull p(V) caracterstica del perodo:

=

0

dV


5.1. Produccin energtica ideal o bruta

0,00

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

0,10

0

500

1.000

1.500

2.000

2.500

0 5 10 15 20 25 30

p(V

)

P(V

) [k

W]

Velocidad del viento (m/s

Curva de potencia aerogenerador Distribucin de probabilidad


Si se instala un aerogenerador en un emplazamiento donde la curva de duracin de la velocidad dada por la ley de distribucin de Weibull, es la siguiente:



0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15 20 25 30

Pro

bab

ilid

ad (

%)


Curva de velocidades de viento clasificadas

0

500

1.000

1.500

2.000

2.500

0 5 10 15 20 25 30

P(V

) [k

W]


Curva de potencia aerogenerador

=

0

=

El rea de la curva de produccin energtica nos proporcionar la energa bruta producida por el aerogenerador en un ao


Estimamos que los datos se han tomado durante 1 ao completo, es decir 8760 horas. El proceso seguido ser:



0

500

1.000

1.500

2.000

2.500

0 10 20 30

P(V

) [k

W]


0

2000

4000

6000

8000

0 10 20 30

Tie

mp

o (

ho

ras)


0

500

1000

1500

2000

2500

0 2000 4000 6000 8000

Po

ten

cia

(kW

)

Tiempo (horas)

Produccin energtica

Energa (kWh)=Potencia(kW)*Tiempo (horas)


Para estimar la produccin neta de un aerogenerador y de un parque elico, a la produccin ideal habr que aplicarle unas prdidas del 8%-10%, debidas:


5.2. Produccin energtica neta

Fact

ore

s p

rod

ucc

in

net

a Disponibilidad de mquina.

Autoconsumo

Elctricas de evacuacin.

Mantenimiento de la subestacin.

Fallo/disponibilidad de red elctrica.

Hielo y/o ensuciamiento de palas.

Degradacin de las palas.

Histresis por altos vientos.

Ajuste de curva de potencia.

Prdidas por sobrepotencia.


Las horas equivalentes es el parmetro usado en la caracterizacin del aprovechamiento de la energa elica

Constituye la relacin equivalente entre el tiempo de funcionamiento del aerogenerador y su potencia nominal; significa el nmero total de horas al ao que con el aerogenerador a la potencia nominal producira la misma energa en las condiciones reales de funcionamiento.

La produccin de un aerogenerador puede establecerse mediante la siguiente expresin:

=

Por tanto, si se conoce la energa producida por un aerogenerador o por un parque elico, las horas elicas equivalente sern:

. =

/

Los mejores emplazamientos elicos ocupados en Espaa registran una media de funcionamiento de 2.500-2.800 horas equivalentes anuales. Aunque algunos superan las 3.000 en Galicia y Cdiz.


5.3. Horas equivalentes


El factor de utilizacin se define como la relacin entre la energa producida y la mxima energa posible que sera capaz de generar el aerogenerador o el parque elico.

=

Nos da informacin de la eficiencia energtica del emplazamiento. La expresin de este factor es la siguiente:

=

= 8760

siendo:

Fu Factor de capacidad o ratio de produccin;

Eanual Energa producida por el aerogenerador o parque elico;

Pn Potencia nominal del aerogenerador o parque elico;

H Nmero de horas anuales (8760 h).

Dependiendo de las condiciones de viento del emplazamiento se pueden encontrar valores habituales del rendimiento comprendidos entre el 20 y al 30%.


5.4. Factor de utilizacin

6. Variacin de la velocidad con la posicin

La velocidad del viento vara verticalmente en funcin de la altura del suelo debido a la rugosidad del terreno. Pero partir de cierta altura, esta variacin de la velocidad no depende de la superficie del terreno sino del rgimen atmosfrico, mantenindose la velocidad constante o con mnimas variaciones respecto a la altura sobre el suelo.

La capa donde la velocidad del viento es independiente de la rugosidad del terreno recibe el nombre de capa superficial.

- La capa superficial tiene una altura de 200 m.

- Permite conocer el rgimen de viento en cada una de las posiciones de los aerogeneradores del parque elico y por tanto la produccin global del parque elico.

Presenta el inters prctico de permitir la extrapolacin de los valores de velocidad de una posicin (por ejemplo all donde se ha colocado la torre de medicin) a otra posicin, en la cual se vaya a situar los aerogeneradores del parque elico.


6.1. Capa superficial


Para conocer los valores de velocidad media y desviacin tpica de los de otra posicin distinta de la torre de medicin del viento dentro del emplazamiento del parque elico, se deber realizar:

- Calcular el valor de la velocidad media y la desviacin tpica en el lmite de la capa superficial, a 200 metros del suelo, que ser el mismo para todos los emplazamientos del parque elico.

- Calcular la velocidad media a la altura del buje en cada nuevo emplazamiento, utilizando la expresin de la ley potencial, con los nuevos coeficientes de rugosidad.

- Calcular la desviacin tpica en los nuevos emplazamientos.

- Calcular los parmetros de Weibull, A y k, en los nuevos emplazamientos.

- Calcular la produccin del aerogenerador en cada emplazamiento.


6.2. Variacin de la velocidad con la posicin


La velocidad a la altura de la capa superficial se calcular:

La velocidad media en el lmite de la capa superficial coincide para todo el emplazamiento.

Dividiendo los valores de velocidad a la altura del buje, se obtiene el coeficiente:



Lmite capa superficial 200 m

Torre de medicin Posicin aerogenerador

Altura del buje

Altura del buje

V(200m) V(200m)

V(80m)

V'(80m)

200 = 80()20080

80() = 20080180

=80()

80()


El clculo de la velocidad media, ser:

=

=

=

La expresin de la desviacin tpica:

2 =

2

=

2 2

=

22

Teniendo en cuenta las expresiones del factor de forma y del factor de escala de la distribucin de la velocidad del viento de Weibull, se deduce que el factor de forma no se modifica y el factor de escala es proporcional al coeficiente de paso.

=

1,086

=

1 +1




La agrupacin de aerogeneradores en parques elicos implica extensiones de terrenos muy grandes, es necesario disponer de una separacin suficiente entre las mquinas. En estos casos sera ideal alinear las mquinas elicas en direccin perpendicular al viento dominante, formando una nica fila.

Sin embargo, en ocasiones, esto no es posible, y se establecen varias hileras una detrs de otras. De esta manera, la distribucin ms interesante es la denominada al tresbolillo, ya que la estela dejada por un aerogenerador, afecta lo menos posible a los que se sitan detrs.

Con el fin de evitar el flujo turbulento provocado por las estelas, la separacin entre aerogeneradores de la misma fila debe establecerse entre 3 y 5 dimetros de rotor.

De igual forma, la separacin entre filas, debe marcar una distancia de entre 5 y 9 dimetros de rotor.

Las prdidas por estela de un parque elico suelen estar entre 3%-5%,


6.3. Disposicin de los aerogeneradores


En parques elicos el nmero de mquinas instaladas es elevado, siendo el orden de 15-25. La medida del viento puede se realiza antes de la instalacin de aerogeneradores, puede realizarse con varias torres de medicin, 2 o 3 torres.

Se hace necesario la utilizacin de aplicaciones informticas como WAsP, para obtener la modelizacin del campo de velocidades al objeto de evaluar el efecto que la topografa y la rugosidad superficial del terreno tienen en el comportamiento del viento, adems de la variabilidad espacial del recurso elico.

WAsP (Wind Atlas Analisys and Application Program), desarrollado especficamente por RIS National Laboratory (Dinamarca) para la evaluacin de recursos elicos, utiliza para la evaluacin del campo de viento:

- Topografa digitalizada (con curvas de nivel cada 10 m).

- Rugosidad superficial del terreno.

- Datos de viento, extrapolados a largo plazo y a la altura de buje considerada en el estudio.

- Curvas de potencia del o de los modelos de aerogeneradores a instalar adaptadas a la densidad media del aire del emplazamiento.






Medicin del viento diezminutaria (direccin velocidad)

Velocidad media (Vm) Desviacin tpica ()

Distribucin de Weibull Factor escala (A) Factor de forma (k)

Correlacin temporal (histrica)

Correlacin posicin (altura)

Produccin bruta

Rosa de frecuencias (%)

Rosa de velocidades (m/s)

Rosa de energa (Wh/s)

Orientacin alineaciones

Coeficientes de correccin

Produccin neta del parque

Prdidas por efecto estela

Disponibilidad, Elect. Internas,

Mantenimiento, Autoconsumo,

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