Sesion_2_Septiembre 4 de 2013 - C.I.E.

Report
ENERGÍA EÓLICA
TEORÍA Y CONCEPTOS
Dr. Oscar Alfredo Jaramillo Salgado
Investigador Titular “A”
INSTITUTO DE ENERGÍAS RENOVABLES DE LA UNAM
CAPEV 15 - 2013
4 de septiembre de 2013
Temixco, Morelos, MÉXICO
Características del viento y evaluación del recurso energético
Contenido de la presentación
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Características atmosféricas en la generación del viento
Características del recurso eólico
Sistemas de medición y evaluación del recurso eólico
Análisis de datos anemométricos y evaluación del recurso
Métodos indirectos en la evaluación del recurso
Estimación de la producción de energía eoloeléctrica mediante técnicas
estadísticas
Características del viento y evaluación del recurso energético
Características del viento y evaluación del recurso eólico
Todas las fuentes de energía renovables provienen del Sol que irradia 174,423×109
kWh hacia la Tierra. Alrededor de 1 a 2 % de esta energía se convierte en energía
eólica. El viento se crea por la diferencia de presiones en la superficie terrestre
originada por el calentamiento desigual debido a la manera en que llega la
radiación solar. La radiación solar absorbida en el ecuador es mayor que la energía
absorbida en los polos, esta variación provoca la formación de celdas convectivas
en las capas inferiores de la atmósfera, así en un modelo simple de flujo de la masa
de aire más caliente presente en el ecuador tiende a subir (ya que el aire más
caliente es menos denso que el aire frío) mientras que el aire presente sobre los
polos tiende a bajar, originándose un ciclo entre estas corrientes de aire
ascendentes y descendentes dando lugar a los vientos geostróficos
En una Tierra sin rotación las diferencias térmicas y de presión entre la zona
ecuatorial y las polares producirán un movimiento circulatorio de la atmósfera. El
aire de las zonas cálidas ascendería a las capas altas de la atmósfera, siendo
remplazado por el aire más frío que viene de los polos. El aire cálido a su vez se
desplazaría a los polos por las capas altas de la atmósfera, completando la
circulación.
Características del viento y evaluación del recurso energético
Características atmosféricas en la generación del viento
Los vientos globales son ocasionados por las diferencias de presión a través de la
superficie de la Tierra debido al calentamiento irregular producido por la radiación
solar, donde la cantidad de radiación absorbida en la superficie de la Tierra es mayor
en el ecuador que en lo polos. Esta variación de energía entrante genera celdas
convectivas en las capas bajas de la atmósfera. De este modo, en un modelo simple
de flujo, el aire sale del ecuador y entra en los polos. La circulación de la atmósfera
que resulta del calentamiento irregular es influenciado en gran medida por los
efectos de la rotación de la tierra manifestado por la fuerza de Coriolis, además de
sufrir los cambios estacionales.
En el hemisferio norte el viento tiende a girar en el sentido contrario al de las
agujas del reloj (visto desde arriba) cuando se acerca a un área de bajas presiones.
En el hemisferio sur el viento gira en el sentido de las agujas del reloj alrededor de
áreas de bajas presiones.
Características del viento y evaluación del recurso energético
Las variaciones espaciales y temporales en la transferencia radiativa entre el Sol y la
superficie terrestre crea variaciones en el campo de presión atmosférico que
ocasiona movimientos de aire de zonas de alta a baja presión. El gradiente de
presión en dirección vertical usualmente se cancela con la fuerza gravitacional. De
este modo el viento sopla predominantemente en el plano horizontal siendo una
manifestación de los gradientes de presión atmosféricos. Al mismo tiempo, exísten
fuerzas que procuran mezclar las masas de aire que se encuentran a diferente
temperatura y presión a lo largo de la superficie terrestre.
Uno de los modelos más simples que describe la el movimiento del viento en la
mecánica atmosférica considera cuatro fuerzas atmosféricas. Estas incluyen las
fuerzas de presión (por calentamiento desigual), de Coriolis (ocasionada por la
rotación de la tierra), inerciales (ocasionadas por movimientos circulares de gran
escala) y de fricción (producida por el rozamiento en la superficie de la Tierra)
Características del viento y evaluación del recurso energético
Características del viento y evaluación del recurso energético
Circulación secundaria y terciaria
La circulación a pequeña escala puede ser dividida en circulación secundaria y
terciaria. La circulación secundaria ocurre si los centros de alta o baja presión son
ocasionados por los calentamientos o enfriamientos de la atmósfera baja. La
circulación secundaria incluye los siguientes fenómenos:
Huracanes
Circulación de monzones
Características del viento y evaluación del recurso energético
Ciclones extratropicales
Características del viento y evaluación del recurso energético
Circulación terciaria:
Las circulaciones terciarias son vientos de pequeña escala, se caracterizan en
menor o mayor medida por vientos locales. Y el entendimiento de estos vientos es
importante para el uso de su potencial en la conversión de energía eólica.
Brisa marina y terral
La brisa es un viento local iniciado por diferencia de presiones. La circulación
ocurre en forma local a lo largo de las costas cuando la diferencia de temperaturas
entre la tierra y el mar es lo suficientemente grande. Durante el día, el aire sobre la
tierra refleja más energía a la atmósfera que el aire sobre el agua. Por consiguiente
la presión del aire sobre la superficie del mar es mayor comparada con la presión
sobre la tierra, resultando en el movimiento de aire desde las zonas de alta presión
a las de baja y el viento se dirige del mar a la tierra. En la noche ocurre el proceso
inverso al enfriarse más la superficie de la Tierra que la del agua adyacente y
comienza la brisa terrestre o “terral”. Debido a que el la noche la diferencia de
temperatura entre la tierra y el agua es menor que durante el día, el terral es más
débil que la brisa marina.
Características del viento y evaluación del recurso energético
Características del viento y evaluación del recurso energético
Viento tipo Foehn
Cuando el viento corre dirigiéndose a una montaña, ésta lo obliga a subir. Si el aire
asciende lo suficientemente alto, se enfría en forma adiabática y puede ocurrir
condensación y precipitación en la ladera de la montaña sobre la que llega el
viento (barlovento). Después de haber perdido la mayoría de su contenido de
vapor de agua inicial, el aire pasa sobre la cresta y es forzado a bajar de nuevo.
Como consecuencia hay una compresión adiabática del aire seco descendente.
Tormentas
Una condición necesaria para la presencia de tormentas es la formación de altas
nubes convectivas producidas por el movimiento ascendente de aire húmedo
caliente. El movimiento puede ser iniciado por inestabilidad térmica, por la
presencia de pendientes de montañas o por un frente (frontera de dos sistemas
climáticos diferentes) y dependiendo de eso, la tormenta es clasificada como
térmica, orográfica o frontal. Si el vapor condensado de las nubes produce mucha
precipitación, se ejercen fuerzas de arrastre viscosas por la lluvia sobre el aire que
atraviesa. Esto contribuye a la iniciación de corrientes descendientes que se enfrían
debido a la evaporación de una parte del agua que cae. Una característica de las
tormentas es el súbito aumento de la velocidad del viento que se asocia con el
paso de la corriente fría descendiente. La mayoría de las tormentas ocurren en el
cinturón ecuatorial y con menos frecuencia lejos de él.
Características del viento y evaluación del recurso energético
Características del viento y evaluación del recurso energético
Tornados
Los tornados son tormentas que contienen a los vientos más violentos, aunque la
probabilidad de que ocurran en cualquier lugar es baja. Un tornado consiste en un
vórtice de aire que normalmente mide 300 metros de diámetro y tiene vientos
periféricos con velocidades enormes, las cuales no han podido ser medidas, pero
por su efecto destructivo se cree que pueden llegar a los 650 [Km/h]. Los tornados
son el resultado de excesiva inestabilidad atmosférica en tiempos muy cortos. A
ellos siempre se les asocian fuertes tormentas. Normalmente aparecen desde la
base de nubes cumulonimbos y son observados cerca de la tierra en forma de
embudo.
Características del viento y evaluación del recurso energético
Efectos térmicos en la capa límite
Los principales efectos que gobiernan las propiedades de la capa límite son la
fuerza del viento geostrófico, la rugosidad de la superficie, el efecto Coriolis y los
efectos térmicos. Podemos considerar la existencia de una parcela de aire cercana
a la superficie que se calienta. La influencia de los efectos térmicos sobre la parcela
pueden ser clasificados en tres categorías: estratificación estable, inestable y
neutra.
Estratificación inestable
La estratificación inestable ocurre cuando hay mucho calentamiento superficial,
causando que el aire caliente cercano a la superficie se eleve. Mientras se eleva, se
expande debido a una presión reducida y entonces se enfría adiabáticamente. Si el
enfriamiento no es suficiente para llevar el aire a un equilibrio térmico con el aire
que lo rodea, este continuará elevándose convirtiéndose en grandes celdas de
convección. El resultado es una capa límite gruesa con remolinos turbulentos de
gran escala, con mucho mezclado y transferencia de momento vertical provocando
un cambio relativamente pequeño en la velocidad media con respecto a la altura.
Para las aplicaciones en generación de energía eólica, la estratificación inestable
puede ser importante ya que puede dar lugar a ráfagas de viento en las zonas
bajas.
Características del viento y evaluación del recurso energético
Estratificación estable
Si el efecto del enfriamiento adiabático de la parcela de aire causa que el aire
elevado se enfríe más que el aire circundante, el movimiento vertical será
eliminado. Esto es llamado estratificación estable. Esto normalmente ocurre en las
noches frías cuando la superficie de la Tierra es fría. En esta situación, la
turbulencia es dominada por la fricción con la tierra, y el incremento de la
velocidad media con respecto a la altura, debido a los esfuerzos cortantes, puede
ser grande. El aire que se eleva en las condiciones de estratificación estable, puede
provocar cargas asimétricas debidas a altos esfuerzos cortantes. En esta situación
también puede haber cambios rápidos en la dirección del viento con respecto a la
altura.
Estratificación neutra
En la atmósfera neutra, el enfriamiento adiabático de la parcela de aire que se
eleva es tal que ésta permanece en equilibrio térmico con sus alrededores. Esto
causa muchas veces, en vientos fuertes, cuando la turbulencia causada por la
rugosidad de la tierra, un mezclado suficiente de la capa límite. Para el
aprovechamiento de la energía eólica, la estabilidad neutral es usualmente la
situación que se considera más importante, particularmente cuando se consideran
las cargas turbulentas en la turbina ya que éstas son más grandes en los vientos
fuertes.
Características del viento y evaluación del recurso energético
Características generales del Viento.
Los movimientos atmosféricos varían en tiempo (segundos a meses) y espacio
(metros a cientos de kilómetros). En la figura se resumen las variaciones
atmosféricas en tiempo y espacio. Cabe mencionar que las variaciones espaciales
dependen generalmente de la altura sobre la superficie y las condiciones
geográficas de la región. Siguiendo una práctica convencional [4], las variaciones de
las velocidades del viento pueden ser divididas en las siguientes categorías:
Características del viento y evaluación del recurso energético
Multianual
Este tipo de variaciones en las velocidades de viento ocurren sobre escalas de
tiempo mayores a un año. Estas variaciones pueden tener grandes efectos en las
producciones a largo plazo de una turbina eólica. La habilidad de estimar la
variabilidad interanual en un sitio, es casi tan importante como estimar la velocidad
media a largo plazo. Los meteorólogos generalmente concluyen que toma cerca de
treinta años de datos para determinar los valores del clima a largo plazo, y por lo
menos 5 años para determinar la velocidad media anual en una localidad
determinada. Sin embargo, registros a pequeñas escalas de tiempo son útiles. El
registro de un año de datos es generalmente suficiente para predecir velocidades
promedio a largo plazo con una certeza del 10% a un intervalo de confianza del
90%.
Anual estacional
Este tipo de variaciones se atañen a las variaciones estacionales que ocurren
periódicamente año tras año. Se reconocen fácilmente los meses ventosos y los
que no lo son.
Características del viento y evaluación del recurso energético
Diarias
En las latitudes tropicales y templadas, pueden presentarse grandes variaciones en
el viento a lo largo del día. Este tipo de variaciones en la velocidad del viento, se
debe al calentamiento heterogéneo en la superficie de la tierra ocasionado por el
ciclo de radiación diario. Una variación típica diurna se manifiesta con un
incremento en la velocidad del viento durante el día y entre la media noche y el
amanecer las velocidades registradas son las más bajas. Los mayores cambios
diurnos ocurren en primavera y verano, cuando los menores se presenta durante el
invierno. Un hecho importante de mencionar es que este tipo de variaciones se
presenta de diferentes formas dependiendo de la altura sobre el nivel del mar.
Corto plazo
Las variaciones a corto plazo que son de interés son las ráfagas y la turbulencia. Es
generalmente aceptado que las variaciones en las velocidades de viento con
periodos que van de un segundo a los diez minutos tienen un carácter estocástico y
se considera que representan turbulencia. Una ráfaga es un evento discreto en un
campo de velocidades turbulento. Una manera de caracterizar las ráfagas es medir:
amplitud, tiempo de crecimiento, la variación máxima de la ráfaga y su duración.
Características del viento y evaluación del recurso energético
Perfil vertical de la velocidad del
viento
Los vientos están mucho más
influenciados por la superficie terrestre
a altitudes de hasta 100 metros. El
viento es frenado por la rugosidad de
la superficie de la tierra y por los
obstáculos. La velocidad del viento
varia directamente proporcional con la
altura, esto es, a menor altitud el
viento se ve más afectado por la
rugosidad y obstáculos del terreno ya
que existe mayor fricción y se generan
turbulencias. Para modelar el perfil
vertical de la velocidad del viento
existen dos métodos generales, el
método de perfil logarítmico y el
método de ley de potencia.
Características del viento y evaluación del recurso energético
Perfil logarítmico
La expresión de perfil logarítmico se utiliza para estimar la velocidad del viento a
una altura deseada, tomando como base la velocidad del viento conocida a una
altura dada. La expresión del perfil logarítmico es
donde v es la velocidad estimada del viento a la altura que se desea conocer, vref
es la velocidad del viento a la altura de referencia donde se cuenta con
mediciones, h es la altura a la que se desea estimar la velocidad del viento, href es
la altura de referencia, es decir, la altura a la que se realizaron mediciones y h0 es
la longitud de la rugosidad del terreno. La longitud de la rugosidad del terreno
representa en cierta medida el grado de obstáculo que presenta éste a la
circulación del viento, algunos valores de 0 se muestran en la tabla
Características del viento y evaluación del recurso energético
Perfil por Ley de Potencia
Al igual que el perfil logarítmico, la ley de potencia modela el perfil vertical de
velocidad del viento. Este modelo fue propuesto por Hellman en 1915 (Hellman,
1915) y se usa para estimar la velocidad del viento a una determinada altura con
base en datos medidos a una altura dada, se expresa mediante:
donde a es el índice de la ley de potencia para la velocidad del viento, el cuál
depende de la rugosidad del terreno. Se ha encontrado que el valor de a varia en
relación al tipo de terreno por donde pasa el viento y por el efecto de varios
parámetros como la elevación, la hora del día, la estación del año, la
direccionalidad de viento, entre otros (Manwell, 2002). Se han desarrollado
métodos para determinar el valor de a, sin embargo algunos investigadores
sugieren que el cálculo de este índice debe ser simple y obtenido empíricamente,
por lo que es común usar el valor de a que más se ajuste a los datos disponibles.
Características del viento y evaluación del recurso energético
Correlación para el exponente de la ley de potencia como una función de la
velocidad y de la altura. Justus en 1978 [14] propuso la obtención del parámetro
mediante la siguiente relación empírica:
donde vref es la velocidad del viento a la altura de referencia donde se cuenta con
mediciones y href es la altura de referencia. Los valores numéricos en la ecuación 21
son valores empíricos determinados por Justus.
Correlación dependiente de la rugosidad de la superficie: En el trabajo de
Counihan se propone el cálculo de mediante siguiente expresión empírica:
donde h0 es la longitud de la rugosidad del terreno. Cabe señalar que la
correlación 21 depende de datos medidos de velocidad del viento a una cierta
altura, mientras que la correlación 22 depende de la rugosidad del terreno del
terreno.
Características del viento y evaluación del recurso energético
Variación de la densidad del aire con la altura
Para el cálculo de generación eoloeléctrica, se debe considerar una corrección por
la variación de la densidad del aire en función de la altura. Con base en la norma
IEC-61400-12 (IEC,1998) de la Comisión Electrotécnica Internacional, para aquellos
aerogeneradores con control por desprendimiento de flujo (stall regulation), que
son aquellos que mediante las propiedades aerodinámicas de las aspas limitan el
torque producido a altas velocidades, la corrección de la curva de potencia se
debe hacer de acuerdo con la ecuación:
donde Pc es la potencia generada como función de la densidad del aire atmosférico
del sitio, Pn es la curva de potencia del aerogenerador, rref[ es la densidad del aire
de referencia (comúnmente 1.225 kg/m3) y r es la densidad del aire de la
localidad.
Características del viento y evaluación del recurso energético
Para aquellos aerogeneradores con control de ángulo de ataque (pitch
regulation),que son aquellos que reducen el ángulo de incidencia del viento para
evitar daños al mismo cuando se presentan grandes velocidades de viento, se debe
aplicar la corrección de acuerdo con la expresión:
donde Vc es la velocidad corregida y Vn es la velocidad a la densidad de referencia.
Es importante indicar que la corrección que se lleva a cabo mediante la ecuación
24, se trata de una corrección aplicada a la velocidad del viento, por lo que la curva
potencia se desplaza sobre el eje horizontal.
Para el cálculo de la densidad del aire en función de la altura y la temperatura
promedio, ésta se puede calcular mediante
donde h es la altura del sitio sobre el nivel del mar y T en centígrados es la
temperatura ambiente promedio del sitio
Características del viento y evaluación del recurso energético
Energía y potencia en el viento
Cuando el viento es atajado por un objeto, el viento transfiere su energía cinética, y
si dicho objeto se mueve decimos que el viento ha desempeñado un trabajo. La
cantidad de energía contenida en el viento es función de su velocidad y su masa,
por lo tanto cuanto mayor sea la velocidad del viento mayor será la energía
disponible y su capacidad para realizar trabajo.
La relación entre la masa, la velocidad y la energía está dada por la ecuación de la
energía cinética. Considérese un flujo laminar perpendicular a la sección
transversal de un cilindro moviéndose a una velocidad v la energía cinética para
dicho flujo está dada por:
donde m es la masa de aire en movimiento.
Características del viento y evaluación del recurso energético
Por otro lado considerando que la potencia está definida como la energía por
unidad de tiempo, tenemos:
donde P es la potencia y dm/dt representa el flujo de aire a través del volumen de
control. Ahora bien la masa contenida en el volumen de control es:
donde A es el área de la sección transversal del volumen de control y L es la
longitud del volumen de control. Y como la longitud del VC dividida por unidad de
tiempo es igual a la velocidad tal que
el flujo de aire a través del VC está dado por:
sustituyendo la relación 30 en la ecuación 27, la energía por unidad de tiempo y
por unidad de área está dada por:
Características del viento y evaluación del recurso energético
De la ecuación 31 se puede observar que el parámetro más importante
involucrado en la potencia contenida en el viento es la velocidad del mismo, ya
que al ser una función cúbica por cada vez que se duplica la velocidad del viento
se obtiene ocho veces más potencia, tal como se muestra en la tabla 3.
Características del viento y evaluación del recurso energético
Sistemas de medición y evaluación del recurso eólico
El aparato utilizado para medir la velocidad del viento es llamado anemómetro. Los
fenómenos que dependen de la velocidad del viento se utilizan para medirla,
existen tres técnicas diferentes para hacerlo las cuales utilizan tres parámetros para
medir la velocidad en forma directa: el empuje, la presión y el efecto de
enfriamiento.
El anemómetro de copas tipo Robinson consiste en un eje vertical que carga tres o
cuatro brazos horizontales y tienen al final copas hemisféricas de metal delgado,
los bordes circulares de las copas se encuentran en planos verticales que pasan por
el eje común de rotación. El empuje producido por el aire es mayor en el lado
cóncavo que en el convexo lo que produce un movimiento circular sobre el eje
como se muestra en la figura 33 . La velocidad del viento tiene una relación lineal
con la velocidad de rotación, que se mide con un contador digital. Algunos
aparatos tienen la capacidad de registrar datos en forma continua y almacenarlos
para su posterior análisis.
Características del viento y evaluación del recurso energético
A velocidades bajas de viento, las medidas del anemómetro de copas pueden ser
erróneas debido al rozamiento en los cojinetes. Cuando la velocidad del viento
disminuye rápidamente, el efecto de la inercia es significante y el anemómetro
tarda tiempo en detenerse. A pesar de los dos defectos anteriores, el
anemómetro de copas tipo Robinson es el aparato más utilizado para medir
velocidades del viento.
Características del viento y evaluación del recurso energético
Análisis de datos anemométricos y evaluación del recurso
Normalmente, para evaluar el
recurso eólico se toman
medidas de la velocidad del
viento a dos diferentes alturas
lo cual permite hacer una
estimación de la velocidad del
viento a otras alturas. La
distancia
entre
dos
anemómetros debe ser, por lo
menos, entre 15 y 20 m. Y el
anemómetro mas bajo debe
estar colocado lo mas alto
posible para evitar que las
mediciones del viento se vean
afectadas
por
obstáculos
(plantas, árboles, rocas, casas
edificios etc...) entre 10 y 30
metros de altura dependiendo
de los alrededores.
Características del viento y evaluación del recurso energético
Una vez que los datos erróneos son eliminados y corregidos, se prosigue a analizar
los datos. Para analizarlos, los estándares tanto de la IEA (International Energy
Agency) como de la IEC (International Electrotechnical Comission) usan un tiempo
de 10 min para promediar los datos adquiridos.
La razón por la que se utiliza un tiempo de 10 minutos para promediar las
mediciones de la velocidad del viento se encuentra mediante el análisis de la
Función de Densidad Espectral (Inglés: Auto Power Spectral Density function, APSD
Sd(f)(un método preciso para analizar las fluctuaciones y variaciones en la velocidad
del viento) también conocida como el espectro energético del viento. La figura
muestra el espectro para el rango de frecuencia de 0.3×10−6[Hz] hasta 0.3 [Hz],
como fue medido por Van der Hoven . En el eje vertical se muestra la “densidad
espectral“Sd medida de la energía contenida en las fluctuaciones del viento, en la
escala horizontal (logarítmico), se muestra la frecuencia. En la figura se agregan, en
sitios especiales, el valor correspondiente del período (indicado en segundos, igual
a 1/f).
Características del viento y evaluación del recurso energético
Características del viento y evaluación del recurso energético
Características del viento y evaluación del recurso energético
Función de Distribución de Probabilidad de Weibull
La función de distribución de Weibull (figura 37) está definida por:
donde v es la velocidad del viento, c es el parámetro de escala de weibull, y k es el
parámetro de forma de la distribución de Weibull.
Para determinar los parámetros k y c existe el método del análisis de la desviación
estándar, en donde la relación de la desviación estándar con la velocidad media del
viento está dada por (Rohatgi et al 1994):
donde s es la desviación estándar del conjunto de datos de velocidad del viento,
_v es la velocidad media del viento y Γ es la función Gamma. La relación entre k y c
está dada por:
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Función de Distribución de Probabilidad de Rayleigh
Como caso particular de la distribución de Weibull se tiene la distribución de
Rayleigh que está definida por:
Características del viento y evaluación del recurso energético
La rosa de los vientos
Otra forma de reportar el recurso eólico es utilizar la rosa de los vientos. Una rosa
de los vientos o rosa náutica es un círculo que tiene marcados alrededor los
rumbos en que se divide la circunferencia del horizonte y representa la intensidad
media del viento en diferentes sectores en los que divide el círculo del horizonte.
En la figura (40) se nuestra una rosa de los vientos donde se indican las direcciones
preferentes del viento así como su intensidad y frecuencia.
Características del viento y evaluación del recurso energético
Principios rectores para un programa de evaluación del recurso eólico
Un programa de evaluación del recurso eólico es similar a otros proyectos técnicos.
Se requiere una planificación y coordinación, y se ve limitada por el presupuesto y
las limitaciones de calendarización. Exige una serie de objetivos claros para el mejor
enfoque de evaluación. Su éxito final depende de la calidad de los datos medidos
(ubicación, técnicas de medición, personal capacitado, equipo de calidad, y
completo análisis de los datos).
Criterios y objetivos
Existen varios etapas en la evaluación del recurso eólico. La profundidad de la
evaluación dependerá de los objetivos de los programas del uso de la energía eólica
y en la experiencia previa sobre el recurso eólico disponible. Estos etapas se pueden
clasificar en tres puntos básicas de la evaluación del recurso eólico:
• Identificación de áreas preliminares o prospección
• Evaluación del recurso
• Micrositing
Características del viento y evaluación del recurso energético
• Identificación preliminar del área
Este proceso se defiende una región relativamente grande. El recurso eólico
disponible se puede inferir basado en la información de estaciones anemométricas
de aeropuertos, topografía, vegetación, y otros indicadores.
Representación de la escala basada en la forma
de la copa de los árboles y el grado de doblez
de las ramitas, de las ramas, y del tronco. La
clase VII es daño mecánico puro.
Características del viento y evaluación del recurso energético
• Evaluación del recurso del viento del área
Esta etapa se aplica a la medida del viento para caracterizar el recurso en un área
donde se está considerando el desarrollo eólico. Los objetivos más comunes de esta
escala son:
• Determinar o verificar si existe suficiente recurso eólico dentro del área para
justificar futuras investigaciones específicas en el sitio
• Comparar las mediciones de las áreas para distinguir el potencial eólico de cada
área
• Obtener datos representativos para estimar el funcionamiento y la viabilidad
técnico- económica para un emplazamiento de tecnología eólica
• Referente para los sitios potenciales de la instalación de turbinas eólicas
• Micrositing
La escala más pequeña, o la tercera etapa, es la evaluación de micrositing. Su
objetivo principal es cuantificar la variabilidad del recurso eólico en una escala
pequeña sobre el terreno de interés. Los datos de micrositing se utilizan para
determinar la colocación de dos o más turbinas eólicas lo más cerca posible para
maximizar el área de tierra disponible y que su colocación ofrezca el máximo
desempeño en la utilización del recurso eólico.
Características del viento y evaluación del recurso energético
Planeación para la medición
El campo común a todos los programas de monitoreo es la necesidad de una
planeación de las mediciones. Su propósito es asegurarse de que todas las facetas
del programa de monitoreo del viento sean correctas y puedan proporcionar los
datos que se necesitan para establecer el tipo de tecnología utilizada en la
conversión de la energía eólica. Por lo tanto, los objetivos del uso de la energía
eólica deben dictar el diseño del plan para las mediciones y debe especificar las
características siguientes:
• Parámetros de medición
• Tipo de equipo, calidad, y costo
• Número y localización de las estaciones de monitoreo
• Alturas de la medida del sensor
• Exactitud de la medida, duración y recuperación de los datos
• Intervalos del muestreo y de la grabación de los datos
• Formato del almacenaje de datos
• Manipulación de datos y su procesado
• Medidas del control de calidad
• Formato de los informes de los datos.
Características del viento y evaluación del recurso energético
Estrategia de monitoreo
La manera cómo se realiza la planificación de mediciones es la base para la
estrategia de monitoreo. La estrategia debe incluir una gestión adecuada, personal
calificado, y recursos adecuados. Cada uno de los participantes debe entender sus
propios quehaceres y responsabilidades y las de los demás, así como la línea de
comando de autoridad y de responsabilidad. Cada uno debe conocer los objetivos
del programa, la planificación de la medición y el tiempo o periodo de ejecución del
proyecto.
Debido a las complejidades del proyecto, el equipo debe incluir por lo menos a una
persona con experiencia en la mediciones en campo. El análisis de datos, la
interpretación y las habilidades computacionales son también habilidades que son
necesarias. Los recursos humanos y materiales disponibles deben ser
conmensurados con los objetivos de programa.
Se deben considerar los mayores niveles de exactitud y cuidar que los datos
medidos estén completos y mantener respaldos de los datos crudos. Debe
considerarse la supervisión constante como visitas rutinarias a los sitio de medición
y la revisión oportuna de los datos.
Características del viento y evaluación del recurso energético
La calidad de los datos se mide generalmente en términos de su
representatividad, la exactitud, y la completes. Los componentes del plan de
medición deben incluir el siguiente:
• Consecución del equipo relacionada con las especificaciones de programa
• Método, frecuencia, e información de la calibración del equipo
• Listas de comprobación de la instalación de la estación de supervisión y de
operación y del mantenimiento
• Formas de la colección y de la recuperación de datos
• Pautas del análisis de datos (cálculos, etc.)
• Métodos de la validación de datos y formato de información
• Intervenciones internas para documentar la instalación, funcionamiento,
operación y mantenimiento, así como la adquisición y la manipulación de datos.
Otra meta de garantizar la calidad es reducir al mínimo las incertidumbres que
entran inevitablemente en cada paso del plan de medición. Ningún sitio describe
y representa perfectamente el área entera, ningún sensor mide perfectamente, y
ni todos los datos recopilados durante un período extenso reflejan perfectamente
todas las condiciones del viento que en el futuro una central eólica experimentará
durante su vida útil de 30 años. Sin embargo, si la magnitud de las incertidumbres
se entiende y se controlan, las conclusiones se pueden calificar como correctas y
son capaces de proporcionar información muy útil.
Características del viento y evaluación del recurso energético
Los recuadros señalados como clase 4 o mayor se consideran generalmente como
los más convenientes para el usos de la mayoría de las turbinas eólicas. La áreas
con clase 3 son convenientes para el desarrollo de energía eólica al usar turbinas
altas con 50 m de la altura al eje del rotor. La clase 2 es marginal y la clase 1 es
inadecuada para la aplicación de la energía eólica.
Características del viento y evaluación del recurso energético
Dos recomendaciones importantes se deben tomar en cuenta al elegir la
localización de la torre de medición anemométrica:
• Colocar la torre tan lejanos como sea posible de obstrucciones locales al viento
• Seleccionar una localización que sea representativa del sitio.
Características del viento y evaluación del recurso energético
También se debe tomar en cuenta: la dirección del viento, el tipo de terreno, las
características de la vegetación y aplicar las directrices del emplazamiento de la
torre de medición anemométrica.
Características del viento y evaluación del recurso energético
Instalación de la torre
La torre se debe instalar bajo consideraciones estrictas de seguridad y con facilidad
en la instalación. Las torres se pueden levantar casi dondequiera, pero la tarea es
mucho más fácil si el terreno es relativamente plano y libre de árboles. Si la torre
se erige en una cuesta o un terreno desigual, los alambres tensores o vientos se
pueden ajustar mientras que se levanta la torre. Para una torre de 40 m, el radio
de la posición de las anclas debe ser al menos 20 m.
Se deben considerar al menos tres anclas, pero es común utilizar cuatro puntos de
anclaje evitando que alguno de los alambres tensores esté en la dirección del
viento predominante. Es recomendable erigir la torre levantándola a lo largo de la
dirección del viento.
Características del viento y evaluación del recurso energético
Características del viento y evaluación del recurso energético
Sensores de la velocidad y de la dirección del viento
• Montar el sensor superior por lo menos 0.3 m (1 pie) sobre la punta de la torre
para reducir al mínimo efectos potenciales del sombreado eólico de la torre
• Colocar los sensores en monturas independientes. Los sensores se deben colocar
lejos de la estructura de la torre y horizontales al terreno. Si la torre es de
elementos estructurales tipo celosía o de armadura el sensor se debe colocar por lo
menos a tres anchuras de la torre y seis diámetros de la torre si la torre es tubular
(Para las torres de estructura triangulares, se mide la anchura de la torre como la
longitud de una de las caras)
• Orientar los sensores montados del lado de la torre en la dirección del viento
predominante, o, si hay más de una dirección que prevalece, en una dirección que
reduzca al mínimo la probabilidad de los efectos de sombra de la torre y por el
mismo sensor
• Los sensores se deben montar de manera horizontal con una altura igual por lo
menos a ocho diámetros del brazo de soporte de montaje. Para brazos de soporte
cuadrados, el diámetro es igual a la longitud de uno de los lados.
• Se debe prever el drenado de los sensores por lluvia o por deshielo (el
congelamiento del agua que puede reventar y causar daños)
Características del viento y evaluación del recurso energético
• La veleta que indica la dirección del viento debe ser orientada así que su posición
del punto muerto y no estar dirigida hacia el viento predominante. Es práctica
común que el punto muerto de la veleta coincida con el norte geográfico y se
marque como 0°. La orientación del punto muerto se debe documentar para que
se conozca la referencia de los datos y el software de análisis ocupe dirección del
viento correcta.
• Se debe verificar la posición del punto muerto de la veleta de viento una vez que
se levanta la torre.
Características del viento y evaluación del recurso energético
Sensor de temperatura, presión y
humedad
• Montar el sensor de temperatura
blindado o encasquillado por lo menos
a una distancia de 1 diámetro de la
torre (lejos de la cara de la torre para
reducir al mínimo efectos térmicos de la
torre)
• Orientar el sensor de temperatura en
la torre que permita la exposición
máxima a la dirección del viento
predominante para asegurar una
ventilación adecuada.
• Se pueden incluir sensores de presión
atmosférica y de humedad con la
finalidad de obtener información que
permita calcular la densidad del aire.
• También es conveniente incluir
medidores
de
precipitación
(pluvímetro) en las inmediaciones de la
torre.
Características del viento y evaluación del recurso energético
Adquisidor de datos y hardware asociado
• Colocar el sistema de adquisición de datos, así como conexiones y cableado,
equipo de telecomunicación, entre otros, en un recito cerrado a prueba de mal
tiempo y bajo llave
•Poner paquetes desecantes en el recinto del sistema de adquisición de datos para
absorber la humedad
• Montar el recinto a una altura de la torre tomando en cuenta la profundidad
media de la nieve y para disuadir el vandalismo
• Si fuera aplicable, colocar el panel solar de alimentación de las baterias sobre el
recinto para sombrearlo. El panel solar deberá tener su inclinación para máximizar
su funcionamiento durante el invierno
• Sellar todas las aberturas en el recinto para prevenir daño por precipitación,
insectos y roedores
• Si fuera aplicable, orientar la antena de la comunicación celular a una altura
fácilmente accesible.
Características del viento y evaluación del recurso energético
Características del viento y evaluación del recurso energético
Sistema de tierra
• Investigar la incidencia de la actividad de relámpagos y determinar la capacidad del
sistema tierra.
• Proteger el sistema de adquisición datos
• Instalar un pararrayos aterrizado
• Asegurarse de que el conductor desnudo cobre es calibre ≤10
• Asegurarse de que la barra que pone a tierra esté libre de capas no conductoras, tales
como pintura o esmalte
• Utilizar por lo menos una barra a tierra con 12.5 cm de diámetro y 2.4 m de largo
para proporcionar el área mínima de la superficie de contacto del suelo
• Alambrar todas las barras a tierra juntas para proporcionar continuidad eléctrica
• Enterrar todas las barras a tierra. Si se encuentra una roca, conducir la barra con un
ángulo 45°, o enterrarla profundamente en un foso por lo menos 0.6 m
• Utilizar un sistema a tierra monopunto
• Determinar el tipo del suelo y clasificar su resistencia. Generalmente entre más baja la
resistencia mejor es la conexión a tierra
• Asegurarse de que la resistencia entre el sistema a tierra y la tierra física sea menor
que 100 ohmios
• Aplicar un agente anti-oxidación a todas las tomas de tierra
Características del viento y evaluación del recurso energético
Documentación
Se debe integrar un detallado y completo expediente de todas las características
del sitio, fechas de instalación y supervisión, fichas de calibración y descripción de
los sensores y toda aquella información relevante debe incluirse.
• Descripción del sitio: Incluir una clave única para la identificación del sitio e
incluir un mapa geo-referenciado del lugar de instalación de las torres
anemométricas. Se debe incluir las fechas de instalación y supervisiones. Las
coordenadas del sitio se deben expresar con una exactitud de al menos de 0.1
minuto (por lo menos 100 m) en latitud y longitud y por lo menos en 10 m en la
elevación.
• Lista del equipo del sitio: Para todo el equipo (sistema de adquisición de datos,
sensores, y periféricos), documentación del fabricante, el modelo, los números de
serie y las fichas de certificación de calibración.
• Información de la telecomunicación: Incluir toda la información programada del
teléfono móvil.
• Información de contacto: Incluir toda la información de contacto pertinente
Características del viento y evaluación del recurso energético
Características del viento y evaluación del recurso energético
Una alternativa que puede acortar tiempos y reducir costos en mediciones de
microescala es utilizar el método medición-correlación-predicción. Sin embargo,
para que este método tenga la validez adecuada, es necesario que existan
estaciones anemométricas de referencia, ubicadas, instaladas y operadas con las
buenas prácticas reconocidas en el ámbito internacional.
Se recomienda que estas estaciones de referencia se instalen en áreas
prometedoras, ubicándolas de tal manera que puedan tener la mayor cobertura.
Asimismo es deseable que las mediciones anemométricas en dichas estaciones de
referencia se realicen con torres de 30 a 50 metros de altura, y con anemómetros
de copas a 2 o 3 niveles sobre el terreno.
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Finalmente, es importante enfatizar que todos los modelos teóricos o empíricos se
han desarrollado y aplicado en países que cuentan con una gran cobertura y
tradición de mediciones climatológicas de alta calidad. En principio, es
relativamente fácil desarrollar y validar un modelo bajo dichas condiciones. Estos
modelos típicamente funcionan muy bien para las condiciones climatológicas que
fueron realizados. Sin embargo, las relaciones entre el clima de microescala, el de
mesoescala y el de macroescala, pueden variar considerablemente de un lugar a
otro. Si en el nuevo lugar de aplicación existen mediciones de superficie de alta
calidad, será relativamente fácil validar o ajustar el modelo. Sin embargo, en caso
contrario, la incertidumbre de los resultados será desconocida. Es decir, podría ser
cero, podría ser 20% o podría ser aún más. De ahí, que el principal esfuerzo en
países en vías de desarrollo debe ser la instalación y operación continua de
estaciones anemométricas de referencia en aquellos lugares que de acuerdo con
la prospección directa, sean prometedores.
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