El recurso Eólico

• Medición de sus parámetros

Energía eólica proviene del sol
Calentamiento diferenciado de la atmosfera sumado a la rotación de la tierra promueve movimiento de masas de aire (viento)
El calentamiento no uniforme de la atmosfera se debe entre otros factores a la orientación de los rayos solares y al movimiento de la tierra.
Una estimación de la energía total disponible en los vientos alrededor del planeta es !ec!a en base a la !ipótesis de "ue el #$ de la energía solar absorbida por la tierra es convertida en energía cin%tica de los vientos
Una transformación del #$ de la energía solar incidente parece pe"ue&a pero representa centenares de veces la energía producida por las centrales el%ctricas alrededor del mundo
UNIDAD 3 EL RECURSO EOLICO

E'isten lugares de la tierra por los mecanismos "ue lo producen en donde los vientos amás* dean de soplar (calentamiento +onas ecuatoriales y enfriamiento +onas polares)
,os vientos planetarios constantes se clasifican en-
lisios van de los trópicos para el ecuador (baas latitudes)
Contra/lisios de +onas ecuatoriales !acia los polos
0ientos del 1este de los trópicos para los polos (rgentina/2atagonia latitud 4)
0ientos polares masas de aire frio de los polos !acia +onas templadas

6ada la inclinación del ee de la tierra #3.78 en relación al plano de su orbita en torno al sol sucede-
0ariaciones estacionales de la distribución de radiación solar por lo tanto cambio estacional en intensidad y duración de los vientos.
9urgen vientos continentales o periódicos llamados mon+ones y brisas
:on+ones- vientos periódicos "ue cambian de dirección cada seis meses apro'imadamente
;risas- suceden por la diferente capacidad de absorción de calor "ue tienen las superficies (mar y continente) por lo tanto surgen vientos "ue soplan del mar !acia el continente y viceversa.

decuarse a la variabilidad del viento
6entro de un clima regional !ay una gran variación en pe"ue&a escala dependiente de-
,a proporción de tierra y mar la presencia de monta&as y valles.
El tipo de vegetación "ue puede tener un gran efecto sobre la mayor o menor absorción o refle'ión de la radiación solar y por lo tanto el cambio en el movimiento de masas de aire.
,ocalmente la topografía tiene un gran efecto sobre el viento.
<n más cerca obstáculos como arboles y construcciones afectan claramente al recurso.

decuarse a la variabilidad del viento
6ada una locación o sitio la variabilidad temporal en escala grande es muy importante por eemplo de un a&o al pró'imo. Estas variaciones de largo tiempo no son a<n bien entendidas y dificultan la viabilidad económica de un proyecto
En tiempos de escala más pe"ue&os menores a un a&o las variaciones estacionales son muc!o más predecibles
un"ue las variaciones en escala de tiempos menores (unos pocos días) es entendida es difícil predecir lo "ue puede ocurrir por encima de algunos días (variación sinóptica).
,a variación sinóptica esta relacionada con el pasae de sistemas temporales. 6ependiendo del lugar !ay variaciones diarias las cuales son bastante bien estimadas.

2redicción
,a predicción es de suma importancia para integrar gran cantidad de energía eólica en la red el%ctrica.
2ermite al operador planificar el despac!o de las otras generaciones
2or debao del minuto !acia los segundos la variación del viento es conocida como turbulencia. Este efecto es muy importante sobre el dise&o y desempe&o de las turbinas mismo en la calidad de la energía suministrada.
0an der =oven (>?7@) construyó un espectro de la velocidad del viento en donde se pueden observar picos de intensidades correspondientes a los efectos sinóptico diurnos y turbulentos.

2or"u% es tan importante caracteri+ar el viento de un lugarA
,a energía disponible en el viento varia con el cubo de su velocidad.
2or lo tanto el entendimiento del recurso eólico es crítico para todos los aspectos de la e'plotación de la energía eólica.
Bdentifica si un sitio es adecuado o viable económicamente para la e'plotación y proyección de una grana eólica.
2ermite un dise&o adecuado de las turbinas eólicas.
9u entendimiento permite operar adecuadamente la distribución el%ctrica y su posible impacto.

6el punto de vista del aprovec!amiento de la energía eólica es muy importante conocer los diferentes tipos de variaciones de la velocidad del viento a saber- anuales estacionales diarias y de corta duración.
2ara tener un buen conocimiento del r%gimen de los vientos no es suficiente basarse en el análisis de datos de un a&o. Cuanto mayor cantidad de datos anuales son colectados más confiables serán las características levantadas del r%gimen del lugar.

,a física de la atmosfera es complea no lineal y posee infinitos grados de libertad
9u dinámica es escrita matemáticamente por las ecuaciones de avier/9toDes "ue se derivan del principio de la conservación de la masas y de la cantidad de movimiento
o se obtienen soluciones analíticas debido a la alinealidad de las ecuaciones "ue gobiernan el fenómeno
9oluciones apro'imadas de algunos estados reales de la atmósfera se obtienen a trav%s del uso de !ipótesis simplificadas
fin de evitar las dificultades de resolver un sistema de ecuaciones no lineales se divide la atmosfera en diversas capas !ori+ontales "ue representan los diferentes regímenes de fluo. Estas capas son definidas en función del fenómeno físico dominante
2ara fines eólicos la capa de la atmosfera "ue interesa es la troposfera "ue se e'tiende !asta los >4m por encima del suelo

Ley Logarítmica
•U(Zref) velocidad a la altura de referencia
•Zo Rugosidad en metros
•Z altura en metros
Ley Exponencial

0ariación de la velocidad del viento con la altura

0ariación de la velocidad del viento con la altura

v = velocidad del fluido
Eemplo-
9e tiene una turbina eólica de 7 metros de diámetro cuyo ee de rotor se encuentra a una altura de >7 metros. 9i se considera la rugosidad del terreno igual a 4.# y en un instante la velocidad del viento medida a >4 metros de altura es de #7DmG!. Calcule para dic!o instante la potencia disponible en el viento "ue atraviesa el rotor de dic!a turbina.
6onde potencia disponible viento-

0ariación !ori+ontal de la velocidad del viento durante un período de >4 minutos (muestras a =+ #44 puntos)
(Desviación Standard, No cambia con la altra!
Intensidad de "rblencia # I$%U U (&elocidad media , Si cambia con la altra!

Turbulencia en terrenos planos
:edia 5epresenta el centro del conunto de datos-
,- ,.!.#.'"""./-

Henómeno estocástico caracteri+ado por parámetros estadísticos
:ediana e"uidista de los valores e'tremos divide a conunto de datos en
dos partes iguales.
,a mediana representa meor el valor central de datos
,a media es muy afectada por los valores e'tremos
0alores pró'imos de media y mediana indican un conunto de datos bastante sim%tricos
:edidas de dispersión- Bndican el apartamiento de los elementos del conunto en torno a la media
0ariancia- 6ado un conunto : de valores 0i
6esvio 9tandard-

:- + fi (n8 de observaciones)
6e E. :J 3K

0- velocidad media suma de cuarta columna dividida por :
0ariancia- suma de "uinta columna dividida por :

0ariancia
Hrecuencia relativa evita trabaar con valores elevados cuando la muestra es grande

C,9E de 0elocidad - ecesidad de representación de las velocidades debido a la
cantidad de muestras y a sus valores con decimales.
9e define-
1 -.. -// -0 3 1.. 1// 10

=istograma de Hrecuencias relativas
Hácil visuali+ación y obtención de fri de cada clase 9e puede obtener valores como la media y desvíos
Hrec. 5elat.

=istograma de Hrecuencias acumuladas
Bndica la frecuencia de clase acumulada es decir por eemplo para la clase de velocidad >4 tengo el ?>$ de las ocurrencias del fenómeno.
Hrec. cumul.

:uestras
2eríodo de muestra- intervalo de tiempo utili+ado para el cálculo de las medias de las
velocidades de viento a ser almacenadas.
9eg<n análisis se obtiene mayor precisión con períodos de muestra de >4 minutos.
9e reali+an medidas con frecuencia de > segundo es decir a >=+. 2or lo tanto se obtienen K44
medidas cada >4 minutos de la cual se obtiene la media representativa de dic!o intervalo.
,as planillas dan > muestras diarias.
parte de los valores medios se acumulan los mínimos y má'imos del intervalo die+ minutal
luego se agrega además el desvío correspondiente.


9u configuración depende de las características particulares del proyecto de cada sitio.
,as medidas son transferidas a un computador "ue podrá ser local o remoto en formato de te'to para ser
luego editadas y procesadas.
parte de la magnitud de velocidad se guarda su dirección más registros de temperatura presión y !umedad
todos con sus correspondientes desvíos.
El 6T,1LLE5 acumula para el caso de velocidad y dirección datos de sensores ubicados a diferentes
alturas.

6ía Típico
0elocidad representativa !oraria se obtienen las medias de cada !ora del día.
9e configura una planilla con las medias !orarias mensuales.
9e establece un día típico mensual estacional y anual.

6ía típico
:uy importante permite estimar la distribución de potencia a lo largo de un día.
Lráfica de día típico anual
0elocidad (mGs)

Es necesario elaborar planillas estacionales y anuales.
Es recomendable medir más de un a&o.
9uele ser representativo para el sitio medir un a&o y luego correlacionar con estaciones meteorológicas cercanas por los menos >4 a&os para atrás.
,os datos de la medida y su procesamiento son de vital importancia a la !ora de proyectar un par"ue eólico.
Cuanto menor sea la incertidumbre sobre lo medido mayores posibilidades de %'ito tendrá un determinado proyecto.
la !ora de evaluar rentabilidad de un proyecto surgirán otros condicionantes como disponibilidad de terreno cerc anías de poblados la topografía del lugar acceso al mis mo (tener en cuenta "ue un ae rogenerador
de #.> :M posee una torre de alrededor ?4m de alto y palas cercanas a los 74m) por lo tanto las posibilidades de llegada al lugar uegan un papel importante a tener en cuenta. 1tro factor no menor es la posibilidad de

:edición de la dirección del viento (,a 5osa de los 0ientos)
5epresenta la frecuencia de la dirección de los vientos medidos
2ermite determinar las direcciones dominantes de los vientos
,a frecuencia relativa de ocurrencia esta asociada con las circunferencias conc%ntricas.
El cero grado indica el norte.
Es buen dato a la !ora de evaluar un sitio "ue los vientos predominen de una determinada
dirección

:edición de la dirección del viento (,a 5osa de los 0ientos)
Eemplo Ciudad de Cutral/Co 2rovincia del eu"u%n.

0 00E
##"$
6istribución de Meibull
•,a variación de viento en un lugar es generalmente bien descripta en su comportamiento de acuerdo a una distribución de probabilidades de Meibull
Eemplo Ciudad de Cutral/Co 2rovincia del eu"u%n.

0- 0elocidad del viento
5elacionado con el desvío standard
C- factor de escala
6imensión de velocidad (mGs)

6istribución de Meibull
,a distribución de Meibull se adapta a los valores reales medidos (Nustus >?@?)
6atos medidos

- 0elocidad media del viento
Hunción L:: O* relaciona los parámetros c y D de la Meibull
0elocidad media
0arian+a
2arámetro D

nemómetros veletas medidores de presión y temperatura se ubicaran adecuadamente
sobre una torre de medición.
fuente- 56C"OR 7ERNANDO A""IO, 7ERNANDO "ILCA

;uen 6ise&o

6ise&o 1 6ECU61


:ontae nemómetros
:ala ubicación puede traer errores en la medición mayores a los indicados por calibración.
9u ubicación en la estela de la torre no refleará la medida real.
;uena ubicación origina errores menores al >$
,a altura del anemómetro en la evaluación de energía será a la altura de bue de molino.


:ínima perturbación en ubicación a 78 respecto al viento incidente
:ínima distancia entre el ee de la torre y el del rotor igual a veces el diámetro de la torre.
9i se coloca el anemómetro aguas arriba en la dirección del viento incidente la distancia entre ees debe ser como mínimo K> veces el diámetro de la torre.



:ínima perturbación en ubicación a ?48 respecto al viento incidente
:ínima distancia entre el ee de la torre y el del rotor igual a 3@ veces el lado de la torre.
9i se coloca el anemómetro aguas arriba en la dirección del viento incidente la distancia entre ees debe ser como mínimo veces el lado de la torre.

;ra+os de montae de sección circular.
Cables de anemómetro en lo posible debe ir por dentro de bra+o y torre.
El rotor del anemómetro debe estar separado en forma vertical del bra+o de sueción a la torre por lo menos >7 veces el espesor de dic!o bra+o.
;uen :ontae :al :ontae

Uno o dos anemómetros en el mismo nivel
Cuando se utilice un solo anemómetro la medición proveniente de la dirección de la torre se v erá afectada por esta por lo tanto deben ser reempla+ados por datos sinteti+ados por alg<n softQare "ue los considere.
2ara evitar los efectos de sombra se usan dos anemómetros en mismo nivel.
;ra+os de anemómetros formando ángulo de >P48 (torre reticulada) y normal a la dirección del viento preponderante.
Es muy importante "ue la electrónica utilice el mismo relo de muestreo para ambos anemómetros.
En el tratamiento de los datos a"uella medida "ue este afectada por la estela de la torre será descartada caso contrario se promediarán ambas mediciones.




9alidas
,a energía anual del viento a trav%s del área del rotor y la estimación de producción.
,a distribución anual de energía del viento y la producida en función de su velocidad media considerando la TE.
Bgual anterior pero en relación a la dirección del viento medio
fuente- 56C"OR7ERNANDOA""IO, 7ERNANDO "ILCA

J 6ensidad del aire típico >##7 gGm3 (dependiente condiciones climáticas temperatura presión y !umedad)
J rea afectada por el viento en m# (área de rotor turbina)
0 J 0elocidad del viento en mGs
2d J potencia disponible en el viento

6ensidad de potencia media seg<n distribución de MEB;U,,
Vndice del recurso eólico de un lugar independiente de las características del erogenerador

9e dise&a rotor turbina para ma'imi+ar C2 (má'ima e'tracción de energía)

Curva de 2otencia del erogenerador

1btenida a partir de mediciones en campo o t<nel de viento
EP Enercon

Cut/in - 0elocidad de viento mínima a partir de la cual se comien+a con la generación de energía el%ctrica
0elocidad nominal- velocidad de viento nominal a trav%s de l a cual se llega a la potencia nominal del aerogenerador
Cut/off- 0elocidad de viento má'ima !asta la cual se genera energía el%ctrica a partir de la cual se act<a a trav%s del control sobre el rotor de la má"uina para asegurar su vida <til.

Fuente: CEPE!rupo Eletro"rás

5elación entre la energía el%ctrica generada en un determinado sitio en un a&o por un determinado aerogenerador y a "uella "ue podría obtenerse si trabaase siempre a su potencia nominal es decir la "ue surge del producto de su potencia nominal y el total de las !oras del a&o (P@K4!)
Tambi%n suele darse en t%rminos de !oras al a&o "ue el molino trabaa en promedio a potencia nominal. 2or lo tanto en la <ltima ecuación se dividiría solo por la potencia nominal.


Por Distribución Discreta
frecuencia de ocurrencia relativa del viento en horas
Integrando distribución de frecuencia y curva de potencia por método numérico “Simpson’s
fuente- 56C"OR 7ERNANDOA""IO,7ERNANDO"ILCA


Curva de Potencia
Huente- CE2E,Lrupo Electrobras



7actor de Capacidad

Por Integración numérica a través de Simpson’s
!"emplo# Seg8n unan9lisis de recursoeólico6referidos auna altura debu"ede :.m6de uns itio en elsur dela provinciade ;s% <s%Se obtuvo una distribuciónde densidadde probabilidad =uecorrelaciona con )eibullcon par9metros /,26$C,-m's
Se pretendeinstalarun par=ueeólico con cinco*! depotencia nominal&..3> (velocidad variabley controlde paso depala+% ?a curva de potenciase entregaseg8n la siguiente tabla#
Se pide calcular# 2%?aestimación deenerg@a producidaporel par=ueeólico6 considerando un 0Ade pérdidasporefecto estela yun 4Adepérdidas eléctricasgenerales%
0%7actorde Capacidad y utili5ación dela instalación%
4%?aestimación delprecio del B>hproducido6 sila inversiónno cuenta con subsidio6y secalcula en 2&..S'3>instalado6suponiendo un costo de EFB de0Ainversión'aGo6 tasade descuentodel 2.Ay una vida 8tildel proyecto de0.aGos%
Huente- CE2E, Lrupo Electrobras

Huente- CE2E, Lrupo Electrobras

Con
Pm

Precio estimado de la Producción “PP
Con 6 H (tasa de retorno+ 6 i (tasa de descuento+6 (aGos+6 Inv% (inversión+

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