EVALUACIÓN DEL POTENCIAL EÓLICO PARA UN EMPLAZAMIENTO SELECCIONADO EN LA REGIÓN PIURA UTILIZANDO...

Dioses, I. (2013). Evaluacin del potencial elico para un emplazamiento seleccionado en la Regin Piura utilizando GH-Windfarmaer. Tesis de pregrado en Ingeniera Mecnico Elctrica. Universidad de Piura. Facultad de Ingeniera. Programa Acadmico de Ingeniera Mecnico Elctrica. Piura, Per.

EVALUACIN DEL POTENCIAL ELICO PARA UN EMPLAZAMIENTO

SELECCIONADO EN LA REGIN PIURA UTILIZANDO GH-

WINDFARMAER

Israel Dioses Apn Piura, mayo de 2013

FACULTAD DE INGENIERA

Departamento de Ingeniera Mecnico-Elctrica

EVALUACINDELPOTENCIALELICOPARAUNEMPLAZAMIENTOSELECCIONADOENLAREGINPIURAUTILIZANDOGHWINDFARMAER

2

Esta obra est bajo una licencia Creative Commons Atribucin- NoComercial-SinDerivadas 2.5 Per

Repositorio institucional PIRHUA Universidad de Piura

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U N I V E R S I D A D D E P I U R A FACULTAD DE INGENIERA

Evaluacin del potencial elico para un emplazamiento seleccionado en la Regin Piura utilizando GH-WindFarmer

Tesis para optar el Ttulo de

Ingeniero Mecnico Elctrico

Israel Eduardo Dioses Apn

Asesor: Profesor Mario Daniel Marcelo Aldana

Piura, Mayo 2013

v

A Dios, a mi padre

y a mi familia.

ix

Resumen

El enfoque del trabajo que se presenta, est dirigido a la evaluacin del potencial elico en un emplazamiento, caso en estudio cerro Chocn ubicado en la carretera Piura - Paita; haciendo uso de herramientas como WAsP para la modelacin del flujo del viento y el software GH-WindFarmer para el diseo de parques elicos. El software WAsP es til para el anlisis de los datos de viento, as como para la generacin de un atlas elico, evaluacin del recurso elico, la cartografa de los recursos elicos, la ubicacin de los aerogeneradores y parques elicos. El software WindFarmer facilita la realizacin de pruebas considerando datos de las torres de medicin, datos orogrficos, topogrficos, representando la magnitud y la direccin del viento en forma rasterizada, as como tambin se simular el ambiente real de los aerogeneradores. Una vez obtenido el potencial elico, a la altura del buje del aerogenerador, se seleccionar la clase de aerogenerador apto para el emplazamiento. La potencia instalada en la zona se estimar teniendo en cuenta el rea y el recurso elico disponible. Definido el nmero de aerogeneradores a utilizar, se obtendr la produccin anual de energa considerando prdidas por efectos topogrficos y de estela, mantenimiento de la subestacin, disponibilidad de la compaa elctrica de distribucin y prdidas electromecnicas en la central elica. Finalmente, se mostrar grficamente el diseo del parque elico y la ubicacin de los aerogeneradores en el emplazamiento.

xi

ndice

Introduccin ........................................................................................................................... 1

Captulo 1 .............................................................................................................................. 3

Antecedentes .......................................................................................................................... 3

1.1. Motivacin y justificacin .......................................................................................... 4

1.2. Emplazamiento seleccionado en la Regin Piura ....................................................... 4

1.2.2 Toma de medidas .................................................................................................. 4

1.2.3 Instalacin de torres de medicin ......................................................................... 5

Captulo 2 ............................................................................................................................ 11

Procesamientos de datos elicos.......................................................................................... 11

2.1. Distribucin de probabilidad de direcciones ............................................................ 11

2.2. Ley de distribucin de Weibull de la velocidad del viento ....................................... 12

2.3. Distribucin de probabilidad de velocidades ........................................................... 13

Captulo 3 ............................................................................................................................ 19

Construccin de mapas del emplazamiento......................................................................... 19

3.1. Rugosidad del terreno y variacin de la velocidad con la altura .............................. 22

3.2. Construccin de una malla del recurso del viento ................................................... 25

3.3. Construccin de un mapa del recurso del viento ...................................................... 26

xii

Captulo 4 ............................................................................................................................ 33

Clculo de la energa ........................................................................................................... 33

4.1. Entradas al programa ............................................................................................... 33

4.2. Mtodo de asociacin .............................................................................................. 35

4.3. Rendimiento neto con prdidas de estela ................................................................. 35

4.3.1 Energa ideal ........................................................................................................ 35

4.3.2 Energa bruta ....................................................................................................... 35

4.3.3 Energa neta sin prdidas adicionales.................................................................. 35

4.4. Rendimiento neto incluyendo prdidas adicionales ................................................ 36

4.5. Modelos de estela .................................................................................................... 36

4.5.1 Modelo PARK modificado ................................................................................. 37

4.5.2 Modelo Eddy viscosity ........................................................................................ 39

4.6. Potencia elica disponible ........................................................................................ 42

4.7. Potencia elica aprovechable .................................................................................... 43

4.8. Clculo de la Potencia elica disponible .................................................................. 43

4.8.1 El primer mstil de medicin o torre de telefona ............................................... 43

4.8.2 El segundo mstil de medicin o torre tubular .................................................... 47

4.9. Clculo del factor de carga ....................................................................................... 50

4.9.1 El primer mstil de medicin o torre de telefona ............................................... 50

4.9.2 El segundo mstil de medicin o torre tubular .................................................... 51

4.10. Caractersticas del aerogenerador seleccionado...................................................... 52

4.11. Terreno ocupado por los aerogeneradores .............................................................. 55

4.12. Configuracin del parque elico ............................................................................. 56

Captulo 5 ............................................................................................................................ 59

Resultados ............................................................................................................................ 59

5.1. Resultados a la altura de 80 m .................................................................................. 60

5.2. Resultados a la altura de 95 m .................................................................................. 63

5.3. Visualizacin del parque elico ................................................................................ 65

xiii

Conclusiones ........................................................................................................................ 81

Referencias .......................................................................................................................... 83

Anexo A: Instrumentos de medicin ................................................................................... 85

Anexo B: Mtodos utilizados para el clculo de produccin .............................................. 89

Anexo C: Resultados de la produccin de energa .............................................................. 93

Introduccin

La ausencia de la energa suministrada a una sociedad, especialmente electricidad, tiende a acentuar la existencia de la asimetra social en las condiciones de vida [1]. La falta de acceso a fuentes modernas de energa agrava la pobreza, sobre todo en el campo, donde las oportunidades son escasas. El establecimiento de polticas pblicas orientadas a la erradicacin de la pobreza debe incluir la expansin del acceso a la energa, en particular, a la electricidad, teniendo en cuenta, principalmente, las interrelaciones sociales [2].

El excelente desempeo econmico de algunas regiones del mundo en desarrollo ha mejorado el acceso de energa para muchas comunidades desde el ao 2000. Se han logrado progresos en Asia oriental y Amrica Latina, como resultado las redes de electricidad se han extendido [3]. Actualmente la capacidad elica en todo el mundo alcanz 288275 MW, de los cuales se aadieron 44609 MW en el ao 2012. Siendo en total, 100 pases y regiones las que utilizan la energa elica para la generacin de electricidad [4].

En el Per el uso de la energa elica como fuente generadora de energa elctrica es mnima, alcanza a penas el megavatio [5]. Para aumentar la contribucin de esta fuente a la matriz energtica es necesario que el Per cuente con un marco regulador y de un registro confiable del potencial elico, as como tambin es necesario que cuente con el recurso humano, financiero y tcnico, que faciliten la explotacin del recurso del viento.

La regin Piura, presenta un elevado potencial elico disponible en la costa de lasprovincias de Talara y Paita, con un valor de 4993 kWh/m2/ao a una velocidad 8.5 m/s yde 642 kWh/m2/ao a 4 m/s respectivamente [6]. Para el ao 2013, Vestas suministrar al Per 62 aerogeneradores para los parques elicos de Cupisnique y Talara que contarn con una capacidad total de 114 MW. Las centrales de energa elica producirn aproximadamente 451 GWh/ao, lo que equivale a un ahorro anual de 295450 toneladas en emisiones de CO2 [7].

Finalmente es importante resaltar el papel de la energa para alcanzar los objetivos de desarrollo de los lugares ms pobres y del mismo pas, evitando hacerlo a expensas del medio ambiente.

3

Captulo 1

Antecedentes Desde el ao 2004 en la seccin energa de la Universidad de Piura se viene realizando estudios acerca de la energa elica. En el 2007 se instalaron instrumentos de medicin de viento en una torre de telefona, y en el 2010 se instal una torre tubular que cumple con todas las normas de medicin de velocidad y direccin del viento; la tecnologa es NGR Systems. Adems se compr una workstation y el software GH-WindFarmer. Todo, fue posible gracias al Contrato N 102-FINCyT-EQUIP-2009, Seis estaciones del fenmeno climtico del nio en las actividades productivas y en la poblacin. Como resultado de investigaciones se desarroll lo siguiente:

Evaluacin del potencial elico en la caleta de Yacila. El principal objetivo de este documento es revalorizar la importancia y factibilidad del uso del potencial elico en el Per, motivando su inclusin en el plan energtico nacional.

Estudio de prefactibilidad tcnico-econmico para la instalacin de un parque elico en Piura. El principal objetivo de este documento fue el de generar propuestas viables de inversin para la construccin de un parque elico en la regin norte del Per, a travs de un correcto anlisis tcnico de las caractersticas del viento aprovechable y un estudio de prefactibilidad que involucre adems un anlisis de costos y parmetros financieros.

Con la tesis propuesta se busca estimar el potencial elico considerando datos de la topografa del terreno, del viento a la altura del buje de los aerogeneradores y otros factores que influyan en la produccin anual de energa; y en conjunto, poder simular el emplazamiento de estudio como el ambiente casi real al que estarn expuestos los aerogeneradores. Es por eso que al considerar el viento como recurso energtico y teniendo en cuenta su disponibilidad como suministro, es de gran importancia que las condiciones locales y temporales sean favorables para alcanzar un nivel alto de produccin de energa de tal modo que se justifica el esfuerzo por llevar a cabo su transformacin en energa til y su aprovechamiento sea eficiente y rentable, debido al gran avance alcanzado por las tecnologas de conversin elica.

4

1.1. Motivacin y justificacin

En Per, el uso de la energa elica, como fuente generadora de energa elctrica, es mnimo; alcanza a penas el megavatio, segn Project Tech4CDM, Wind energy in Peru, financiado por la Unin Europea bajo el programa Sixth Framework.

La regin Piura presenta un elevado potencial elico disponible en la costa de las provincias de Talara y Paita, con un valor de 4993 kWh/m2/ao a una velocidad 8.5 m/s y de 642 kWh/m2/ao a 4 m/s respectivamente, segn el Ministerio de energa y minas.1 Por esto se evaluar el potencial elico en un rea seleccionada, caso en estudio cerro Chocn ubicado en la carretera Piura - Paita.

Las investigaciones en la seccin energa que viene realizando la Universidad de Piura, causaron un gran inters en el estudio de los mecanismos de conversin de la energa del viento en energa elctrica (aerogeneradores).

Adems, la necesidad de contar con nuevas fuentes de generacin de energa que permitan abastecer el incremento de la demanda elctrica en el norte del pas, llev a la bsqueda de herramientas que sean tiles en la evaluacin del potencial elico en la regin Piura y as promover la instalacin de grandes parques elicos.

Se busca generar energa elctrica no contaminante as como tambin el desarrollo econmico y tecnolgico de la regin Piura. Por ello la necesidad de invertir en el Per, explotando nuevas fuentes de energa, de manera que sea capaz de satisfacer sus propias demandas energticas, disminuyendo la dependencia energtica de otros pases, de los cambios climticos (problema con las centrales hidroelctricas) y de la continua alza de petrleo (problema con las centrales trmicas).

1.2. Emplazamiento seleccionado en la Regin Piura

El emplazamiento escogido para la instalacin de un parque elico es el cerro Chocn, ubicado en la provincia de Paita, departamento de Piura y se muestra en la Figura 1.1 y Figura 1.2.

1.2.2 Toma de medidas

Los parmetros a considerar para la eleccin de un instrumento de medida son: el costo, la sensibilidad para detectar cualquier variacin, la fiabilidad de los datos, robustez para soportar posibles daos y calidad de datos. Los instrumentos2 necesarios para las mediciones y aplicaciones con energa elica son:

- Anemmetros para medir la velocidad del viento.

- Veletas para medir la direccin del viento.

- Sensor de temperatura para medir la temperatura ambiente del aire.

1 Ministerio de energa y minas, direccin general de electricidad. Potencial de las energas renovables en el Per. MINEM, Octubre 2011. 2 Referirse al ANEXO A.

5

- Un sistema de registro, "Data Logger".

1. Fig. 1.1 Vista del cerro Chocn tomada desde la carretera 3

2. 3. Fig. 1.2 Vista de la ubicacin geogrfica del cerro Chocn4

1.2.3 Instalacin de torres de medicin

La obtencin de datos del emplazamiento se llev a cabo con la instalacin de dos mstiles de medicin. Ambos cuentan con instrumentos de medicin de la velocidad y direccin del viento de la marca "NGR System". El primero fue instalado en setiembre de 2007, y el segundo se instal en enero de 2010, Figura 1.3.

3 Fuente: Cortesa del laboratorio de fsica, UDEP. 4 Fuente: Google Earth

6

Fig. 1.3 Ubicacin geogrfica de los mstiles de medicin de viento5

El primer mstil de medicin que se consider fue una torre de telefona ubicada en el cerro Chocn, (Figura 1.4), sus coordenadas geogrficas son las siguientes:

Latitud: 5 9'39.96"S Longitud: 8057'43.41"W Altitud: 202m

En la torre mencionada se instalaron los instrumentos de medicin que se indican en la Tabla 1.1.

5 Fuente: Google Earth

7

Tabla 1.1 Instrumentos de medicin instalados en el mstil de telefona Canal de

Datalogger Tipo de Sensor Altura Azimuth del sensor

1 40C Anem. 58m 270 2 40C Anem. 49m 270 3 40C Anem. 58m 90 4 40C Anem. 49m 90 5 40C Anem. 24m 270 7 200P Vane 58m 180 8 200P Vane 49m 180 9 110S Temp. 3m - 10 Voltaje i-Pack 3m -

Fuente: Base de datos del laboratorio de fsica, UDEP. El segundo mstil de medicin es una torre tubular, la cual se puede observar en la Figura 1.5, adems cumple con todas las normas de medicin de velocidad y direccin del viento, se encuentra ubicada a 3 km del primer mstil, sus coordenadas geogrficas son las siguientes:

Latitud: 0511'26.46" S Longitud: 8057'59.7 W Altitud: 212 m

En la torre mencionada se instalaron los instrumentos de medicin que se indican en la Tabla 1.2.

Tabla 1.2 Instrumentos de medicin instalados en el mstil NGR Canal del

Datalogger Tipo de sensor Altura Azimuth del sensor

1 40C Anem. 60m 270 2 40C Anem. 60m 90 3 40C Anem. 50m 270 13 40C Anem. 50m 90 14 40C Anem. 32m 270 15 40C Anem. 32m 90 7 200P Vane 58m 180 8 200P Vane 48m 180 9 110S Temp. 3m -

Fuente: Base de datos del laboratorio de fsica, UDEP.

8

Fig. 1.4 Mstil de medicin, torre de telefona6

6 Fuente: Cortesa del laboratorio de fsica, UDEP.

9

Fig. 1.5 Mstil de medicin, torre tubular NGR7

7 Fuente: Cortesa del laboratorio de fsica, UDEP.

11

Captulo 2

Procesamientos de datos elicos Para determinar la cantidad de energa elica aprovechable, en un determinado emplazamiento, comprende la medicin de la velocidad del recurso del viento durante un largo perodo as como de los datos del relieve del terreno. Actualmente existen sistemas y programas diseados para manipular, filtrar, calibrar y correlacionar dichos datos para generar el rgimen de viento en el emplazamiento bajo la forma de una tabla de distribucin de probabilidad de velocidades y direcciones del viento. Por la variabilidad del viento, los valores medios horarios deben corresponder a medias de medidas de varios aos, a fin de que tengan un adecuado grado de aproximacin a las condiciones de comportamiento que pueden esperarse. Se recomienda usar series que, si no pueden alcanzar periodos de 25 a 30 aos como mnimo, comprendan promedios de 5 a 10 aos8. En este proyecto de tesis se utiliz promedios de 5 aos, es importante resaltar que a mayor nmero de aos, los resultados estadsticos sern ms fiables.

2.1. Distribucin de probabilidad de direcciones

La distribucin de las direcciones del viento es importante para la ubicacin de los aerogeneradores en terrenos no uniformes o formando varios conjuntos de ellos, adems para conocer la variabilidad direccional del rgimen de vientos al que debe responder el sistema de orientacin de la mquina. La representacin ms comn es la rosa de vientos, es til para expresar el porcentaje de tiempo en el que el viento tiene una determinada direccin. En la Figura 2.1 se muestra la rosa de vientos del mstil de medicin ubicado en el cerro Chocn. De la grfica se deduce que en el sector sudeste se encuentra un 53.7% de los datos de las velocidades medidas aproximadamente durante cinco aos. Este sector coincide con la

8 Villarubia, Miguel (2004). Energa elica. 1 ed. Espaa: Ediciones Ceac.

12

direccin de los vientos alisios9. Adems, se puede observar que el rango de las velocidades con mayor ocurrencia en este sector se encuentra entre 6 y 12 m/s.

Fig. 2.1 Rosa de vientos del mstil de medicin10

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

Determina la distribucin de velocidades del viento a lo largo de un periodo de tiempo. La funcin de densidad de probabilidad correspondiente a la ley de Weibull es del tipo de dos parmetros (A,k) y viene dada por la expresin: 11

9 Los vientos alisios se dirigen desde las altas presiones subtropicales, hacia las bajas presiones ecuatoriales. El movimiento de rotacin de la Tierra desva a los alisios hacia el oeste, y por ello soplan del nordeste al sudoeste en el hemisferio norte y del sudeste hacia el noroeste en el hemisferio sur. 10 Fuente: Imagen obtenida con el software WindFarmer, datos a 58 m de altura, obtenidos del Mstil de telefona ubicado en el cerro Chocn. 11 Villarubia, Miguel (2004). Energa elica. 1 ed. Espaa: Ediciones Ceac.

13

(

)

( )

donde: es la velocidad del viento [m/s],

es la funcin densidad de probabilidad de Weibull, es el factor de escala [m/s],valor que suele ser prximo a la velocidad media y es el factor de forma que caracteriza la asimetra o sesgo de la funcin probabilidad.

Las curvas de la Figura 2.2 tienen el mismo valor medio de velocidad. Lo que hace diferente a una de otra es el factor de forma k . Se debe tener en cuenta que el valor de mayor frecuencia no necesariamente coincide con la media de los valores medidos, estando determinado por la forma de la curva de Weibull.

Fig. 2.2 Influencia del factor de forma "k" en la distribucin de Weibull12

Cuanta menos dispersin presenten los datos de la velocidad del viento respecto del valor medio de la velocidad, mayor es el parmetro k.

2.3. Distribucin de probabilidad de velocidades

La distribucin de las velocidades de viento es importante para la estimacin del potencial elico disponible , adems de otros parmetros energticos de inters. Es por esto, que adems de representar discretamente las frecuencias de los datos experimentales, se busca hallar una curva que se ajuste a las mismas, esta es la llamada Distribucin de Weibull.

12Fuente: Tony Burton (2001). Wind energy handbook. New York: John Wiley & Sons Limited.

14

Los datos de la velocidad del viento usualmente son presentados por la distribucin de velocidades de viento. La velocidad del viento es dividida en un nmero de intervalos, generalmente de un ancho igual a 1 m/s [8]. Utilizando los datos obtenidos con el mstil de medicin, se calcul la tabla de distribucin de frecuencias (TDF) de las velocidades del viento en el cerro Chocn (Tabla 2.1). De la tabla anterior se observa la frecuencia en horas para cada velocidad en el ao (8760 horas). Por ejemplo se puede decir que el viento sopl 1125 horas durante todo el ao con una velocidad media de 8 m/s.

Tabla 2.1 TDF de velocidades de viento a la altura del mstil (58 m)

Datos Clculos

Intervalo de la clase

Centro de la clase

Total Frecuencia

relativa Frecuencia

(m/s) (m/s) (%) ni (horas) 0 v 1,5 1 3.8 0.0038 33

1,5 v 2,5 2 11.2 0.0112 98

2,5 v 3,5 3 23 0.0230 201

3,5 v 4,5 4 44.9 0.0449 393

4,5 v 5,5 5 80.1 0.0801 702

5,5 v 6,5 6 116.9 0.1169 1024

6,5 v 7,5 7 135.2 0.1352 1184

7,5 v 8,5 8 128.5 0.1285 1125

8,5 v 9,5 9 113.7 0.1137 996

9,5 v 10,5 10 95.1 0.0951 833

10,5 v 11,5 11 78.4 0.0784 687

11,5 v 12,5 12 63.5 0.0635 556

12,5 v 13,5 13 44.5 0.0445 390

13,5 v 14,5 14 29.8 0.0298 261

14,5 v 15,5 15 17.7 0.0177 155

15,5 v 16,5 16 9 0.0090 79

16,5 v 17,5 17 3 0.0030 26

17,5 v 18,5 18 1.3 0.0013 11

19,5 v 20,5 19 0.4 0.0004 4

20,5 v 21,5 20 0.2 0.0002 2

21,5 v 22,5 21 0 0.0000 0

22,5 v 23,5 22 0 0.0000 0

23,5 v 24,5 23 0 0.0000 0

24,5 v 25,5 24 0 0.0000 0

25,5 v 26,5 25 0 0.0000 0

Total 1000 1 8760

En la Figura 2.3, se grafica la rosa de vientos con sus 12 sectores en mayor detalle, se observa que el sector dominante es el sector 6 (150), y el segundo sector dominante es el sector 7 (180). Adems, se ilustra la distribucin de probabilidades de velocidades del viento, cuyo factor de escala A = 9.3 m/s y cuyo factor de forma k = 2.72 (por ser mayor

15

que 2.5 presenta un mejor ajuste y menos dispersin de los datos del valor medio), la

velocidad media U = 8.36 m/s y la densidad de potencia (

) .

Fig. 2.3 Distribucin de probabilidades de velocidades de viento

De la grfica de deduce que a un valor de 5 m/s le corresponde una frecuencia relativa13 de 8%, significa que esta velocidad se present el 8% del tiempo total de la muestra, en nuestro caso 1 ao. La tabla de distribucin de velocidades anual, afirma que el viento tuvo una velocidad de 5m/s durante 700 horas.

Tabla 2.2 TDF de las velocidades de viento

Fuente: WAsP. En la Tabla 2.2, se resumen las mediciones y la distribucin de la velocidad del viento en cada sector y el total, conocido como archivo *.TAB. La diferencia relativa entre la velocidad media del viento (Delta-U) es calculada a partir del ajuste de Weibull y la velocidad media del viento del histograma.

13 La frecuencia relativa, es el cociente entre la frecuencia absoluta y el tamao de la muestra (N), entendindose por frecuencia absoluta, el promedio de una suma predeterminada de la muestra estudiada.

16

Los mtodos14 empleados para hallar los clculos de produccin de energa son:

- Ajuste de la distribucin de Weibull (Fitted)

- Distribucin emergente (Emergent)

- Distribucin combinada de Weibull (Combined)

En el sector 6 (Figura 2.4), se muestra que el factor de escala A = 9.4 m/s y el factor de forma k = 3.23 (presenta un buen ajuste y menos dispersin de los datos del valor medio),

la velocidad media U = 8.46 m/s y la densidad de potencia (

) .

Fig. 2.4 Distribucin de probabilidades de velocidades de viento, sector 6 (150)15

En el sector 7 (Figura 2.5), se puede observar que el factor de escala A = 10.6 m/s y el factor de forma k = 3.00 (presenta un buen ajuste y menos dispersin de los datos del valor

medio), la velocidad media U = 9.50 m/s y la densidad de potencia (

) .

Fig. 2.5 Distribucin de probabilidades velocidades de viento, sector 7 (180)16

14 Referirse al ANEXO B. 15 Fuente: WAsP. 16 Fuente: WAsP.

17

Es importante definir el sector con mayor velocidad de ocurrencia y mayor velocidad media debido a que de este sector depender la ubicacin de los aerogeneradores. Se determina un sector promedio entre estos dos sectores, el sector de 160, ya que los valores de velocidades medias son mayores en el sector 180 pero existen mayores probabilidades de ocurrencia de velocidades altas en el sector de 150. En la Figura 2.6 se representa lo que seran los aerogeneradores ubicados perpendicularmente a la direccin del viento y perpendicular al sector 160. Adems se visualiza la direccin de los vientos alisios.

Fig. 2.6 Representacin de la ubicacin de los aerogeneradores en el sector con mayor

frecuencia de velocidades

19

Captulo 3

Construccin de mapas del emplazamiento El estudio del recurso elico del emplazamiento, requiere de la informacin del terreno y datos del mstil de medicin a la altura del buje del aerogenerador. Para obtener datos de la topografa del terreno se construy un mapa de contornos (curvas de nivel) del rea que comprende el cerro Chocn, el cual se muestra en la Figura 3.1. Primero, se realiz la toma de datos de alturas para distintas coordenadas, utilizando Google Earth, para definir el rea de trabajo y una pgina web17 de la que se tuvo que extraer cada coordenada geogrfica con su respectiva altura. Los datos con los que cuenta la pgina web son datos del SRTM18, obtiene datos de elevacin en una escala casi mundial para generar la base de datos topogrficos de alta resolucin digital ms completa de la Tierra. Adems, debido a que los datos de coordenadas se encontraba en grados sexagesimales, se cre un algoritmo haciendo uso del software Matlab, el cual convierte estas coordenadas en coordenadas UTM19, que son adecuadas para la construccin del mapa del emplazamiento. Se convierten las coordenadas geogrficas20 a coordenadas UTM, para crear el mapa de contornos haciendo uso del software Surfer21. El mapa de contornos obtenido tiene una resolucin de 20 metros, entre cada curva de nivel.

17La pgina web utilizada es http://ws.geonames.org/srtm3?lat=- 5.097&lng=-81.090. 18 El Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) consisti en un sistema de radar especialmente modificado que vol a bordo del transbordador espacial Endeavour durante una misin de 11 das en febrero del ao 2000. 19 El Sistema de Coordenadas UTM es un sistema de coordenadas basado en la proyeccin cartogrfica transversal de Mercator, que se construye como la proyeccin de Mercator normal, pero en vez de hacerla tangente al Ecuador, se la hace tangente a un meridiano. El sistema UTM se expresa en metros nicamente al nivel del mar que es la base de la proyeccin del elipsoide de referencia. 20 El Sistema de Coordenadas geogrficas expresa en grados sexagesimales la longitud y latitud. 21 El software Surfer, rpida y fcilmente, convierte los datos en contornos de relieve, superficie, mallados, mapas de vector, imagen, y relieve sombreado.

20

Fig. 3.1 Mapa de contornos del Cerro Chocn22

Las caractersticas del mapa de contornos son:

- Proyeccin UTM - Datum WGS_84 - Unidades planas Metros - Zona -17

Adems, se crea un mapa digital del terreno, a partir del mapa de contornos (Figura 3.2 y 3.3).

22 Fuente: Surfer.

21

Fig. 3.2 Mapa digital del cerro Chocn23

Fig. 3.3 Mapa digital del cerro Chocn, vista desde la carretera Piura-Paita24

Utilizando el mapa digital del cerro Chocn y el software WindFarmer, se obtiene un nuevo mapa de contornos, pero con una resolucin de 10 metros entre cada curva de nivel, mejorando los clculos de la produccin de energa en el emplazamiento (Figura 3.4).

23 Fuente: Surfer. 24 Fuente: Surfer.

22

Fig. 3.4 Mapa de contornos del cerro Chocn25

3.1. Rugosidad del terreno y variacin de la velocidad con la altura

Para caracterizar las condiciones de un terreno, se define el parmetro , denominado longitud de rugosidad, como la altura respecto al nivel del suelo expresada en metros, donde la velocidad del viento es nula. En funcin del valor de se puede clasificar el terreno en clases de rugosidad. 26

La relacin entre la clase de rugosidad y la longitud de rugosidad viene dada por:

Si

Si (

)

(

)

25 Fuente:WindFarmer. 26 Fuente: Villarubia, Miguel (2004). Energa elica. 1 ed. Espaa: Ediciones Ceac.

23

Para el clculo de la variacin de la velocidad con la altura distinguimos dos situaciones:

- Variacin con la altura de la velocidad del viento medio o estacionario27.

- Variacin con la altura de la velocidad media del viento a largo plazo.

En el primer caso el modelo ms utilizado basado en la hiptesis de una atmsfera neutra28, viene dada por la expresin:

(

)

(

)

donde: son respectivamente las velocidades a las alturas , en [m/s] y es la rugosidad del terreno en [m]. La Tabla 3.1 muestra la clasificacin de los terrenos en funcin de la longitud de rugosidad. Adems, se incluye el ndice de energa que permite estimar la prdida potencial de energa elica disponible en funcin de las caractersticas del terreno (superficies de agua, pistas de hormign, campos abiertos sin cercados, campos con algunas casas, etc.)

Tabla 3.1 Tabla de clases y longitudes de rugosidades Clase de

rugosidad Longitud

de rugosidad

ndice de energa

(%)

Tipo de terreno

0 0.0002 100 Superficie de agua. Terreno descubierto, superficie lisa.

0.5 0.0024 73 Pistas de hormign (aeropuertos),csped... 1 0.0030 52 Campos abiertos sin cercados ni setos.

Edificios muy dispersos. Colinas suavemente redondeadas.

1.5 0.055 45 Campo con algunas casas y arbolado de hasta 8m situado como mnimo a 1250m.

2 0.1 39 Campo con algunas casas y arbolado de hasta 8m situado como mnimo a 500m.

2.5 0.2 31 Campo con muchas casas y arbolado de hasta 8m situado a 250m.

3 0.4 24 Pueblos, bosques y terreno. 3.5 0.8 18 Ciudades con edificios altos. 4 1.6 13 Grandes ciudades con edificios muy elevados

Fuente: Villarubia, Miguel (2004). Energa elica. 1 ed. Espaa: Ediciones Ceac.

27 Velocidad obtenida por el promedio de medidas para un intervalo de tiempo de 10 minutos. 28 Una atmsfera se denomina neutra cuando es indiferente a iniciar o inhibir los movimientos verticales del aire, debidos a la variacin del gradiente de temperatura con la altura.

24

En el segundo caso el modelo de clculo ms usado se basa en admitir una ley exponencial de Hellmann (Tabla 3.2) para la variacin de la velocidad con la altura segn la expresin:

(

)

donde: es el exponente de Hellmann que vara con la rugosidad del terreno, z y v son la altura sobre el suelo del anemmetro y la velocidad, v es la velocidad a la altura z. Tabla 3.2 Valores del exponente de Hellmann en funcin de la rugosidad del terreno

Coeficiente de Hellmann ( ) Lugares llanos con hielo o hierba 0.08 0.12 Lugares llanos (mar, costa) 0.14 Terrenos poco accidentados 0.13 0.16 Zonas rsticas 0.2 Terrenos accidentados o bosques 0.2 0.26 Terrenos muy accidentados y ciudades 0.25 0.4

Fuente: Fernndez Dez, Pedro. (1993). Energa elica. 1 ed. Espaa: Universidad de Cantabria.

En la Figura 3.5, se ilustran las variaciones de la velocidad del viento con la altura segn la ley exponencial de Hellmann.

Fig. 3.5 Desarrollo de la capa lmite29 en distintas zonas30

29 La friccin del fluido (aire) sobre la superficie terrestre provoca una tensin de cizalladura proporcional al gradiente vertical de velocidades. La distribucin de velocidades va desde cero en el contacto con la superficie hasta la velocidad mxima para las zonas alejadas de la superficie. 30 Fuente: Fernndez Dez, Pedro. (1993). Energa elica. 1 ed. Espaa: Universidad de Cantabria.

25

3.2. Construccin de una malla del recurso del viento

Para la crear la malla del recurso del viento a la altura del buje del aerogenerador, es necesario contar con los datos del mstil de medicin de viento, mapa de contornos y rea del emplazamiento. Es importante conocer el valor de la altura a la que se miden los datos del viento, debido a que los datos de la altura en que se realiza la malla del recurso del viento son a la altura del buje del aerogenerador. Por otra parte, como an no se selecciona la altura del buje del aerogenerador y los datos medidos por el mstil se encuentran a 58 metros sobre el nivel del suelo, se realizaron 4 mallas del recurso del viento a cuatro alturas del buje del aerogenerador distintas (60m, 70m, 80m y 95m). En cada una de las mallas del recurso del viento se definen los lmites en X y en Y as como la resolucin de la malla y el nmero de nodos, de la que estar compuesta (Figura 3.6). Mientras mayor sea el nmero de nodos, ms refinados son los clculos, no obstante el tiempo de clculo es muy elevado y se requiere de un procesador potente. Es por eso que se suele trabajar con una resolucin de 25 metros, y para el nmero de filas y columnas se ha decidido utilizar 600 y 721 respectivamente obtenindose 432600 nodos.

Fig. 3.6 Parmetros para la construccin de la malla31

En la Figura 3.7, se muestra la malla del recurso del viento creada para tres diferentes alturas del buje del aerogenerador.

31 Fuente: WAsP.

26

Fig. 3.7 Malla del recurso del viento32

3.3. Construccin de un mapa del recurso del viento

Para generar el mapa del recurso de viento, archivo *.WRG33, a la altura del buje del aerogenerador, se crea un proyecto de emplazamiento con del software de modelacin del flujo de viento WAsP. El modelo desarrollado y elaborado en los laboratorios RIS, parte de las ecuaciones del movimiento de un fluido en el interior de la capa lmite y tiene en cuenta, a la hora de hacer la extrapolacin, caractersticas tales como el tipo del terreno (llano, suavemente ondulado, fuertemente ondulado, montaoso, etc.), la rugosidad (reas acuticas, setos, cultivos, bosques, etc.), los obstculos (edificios, setos, etc.) y las variaciones de la altura del terreno (orografa). De esta forma, en la Tabla 3.3, se calcula un hipottico viento sin perturbar a partir del cual se efecta el clculo posterior de lo que el modelo denomina Atlas [15]. Mediante la elaboracin de este atlas de vientos se puede:

- Extrapolar medidas a otros puntos de la regin (extrapolacin horizontal) o a otros niveles (extrapolacin vertical), a partir de medidas de viento durante un periodo de varios aos en una estacin de medida.

32 Fuente: WAsP, se realizaron 4 mallas iguales pero a distinta altura. 33 El mapa de recurso del viento tiene un formato *.WRG, wind resource grid.

27

- Extender esas medidas a unos valores representativos de las caractersticas elicas del lugar a largo plazo (extrapolacin temporal) a partir de medidas de viento durante un tiempo reducido.

Tabla 3.3 Atlas de vientos en el cerro Chocn

Fuente: WAsP.

A partir de este Atlas, el modelo efecta el proceso inverso y se calcula el viento esperado en un emplazamiento considerando obstculos, rugosidad y relieve. Al comparar velocidades medias y densidades de potencia entre el mstil de medicin y el atlas de viento obtenido, se deduce que la clase de rugosidad es 1 (zonas rurales sin bosques ni casas), a la cual le corresponde una longitud de rugosidad .

34 La nueva tabla de distribucin de frecuencias a manera de rosa de vientos, haciendo uso del relieve del terreno y de la ubicacin geogrfica del mstil. En la Figura 3.8, se visualizan los valores reales utilizados para la construccin de la rosa de viento. Los segmentos rojo y verde muestran las diferencias entre los datos obtenidos del mstil de medicin (curva gris) y los datos de prediccin (curva azul). Por ejemplo el sector 6 anteriormente contena el 53.7 % de los datos medidos durante 5 aos, ahora se muestra que este sector contiene el 48.6 % de los datos de las velocidades medidas tomados en el mismo tiempo, mientras que el sector 5 aument del 5 % al 9.1 %.

34 La longitud de rugosidad es la altura sobre el nivel del suelo donde la velocidad es cero.

28

Fig. 3.8 Distribucin de probabilidades de velocidades de viento35

Los mapas de recurso de viento a la altura de 60 m (Fig. 3.9), 70 m (Fig. 3.10), 80 m (Fig. 3.11) y 95 m (Fig. 3.12), que para la altura del buje igual a 60 metros el rango de densidad de potencia se encuentra entre 416 y 764 [ ], para la altura del buje igual a 70 metros el rango de densidad de potencia se encuentra entre 463 y 823 [ ], para la altura del buje igual a 80 metros el rango de densidad de potencia se encuentra entre 508 y875 [ ] y para la altura del buje igual a 95 metros el rango de densidad de potencia se encuentra entre 570 y 945 [ ]. Para determinar la ubicacin y la altura del buje del aerogenerador, es necesario utilizar los mapas de recurso elico y de esta manera obtener el mximo aprovechamiento. De los mapas se observa que conforme aumentamos la altura del buje del aerogenerador, la densidad de potencia aumenta, esto se debe a que el perfil de velocidad se incrementa de forma exponencial36, logrando as un aumento de las velocidades medias. Para la altura del buje igual a 60 metros el rango de velocidades medias (Fig. 3.13) se encuentra entre 7.72 y 9.44 [ ], para la altura del buje igual a 70 metros el rango velocidades medias (Fig. 3.14) se encuentra entre 8.04 y 9.71 [ ], para la altura del buje igual a 80 metros el rango de velocidades medias (Fig. 3.15) se encuentra entre 8.31 y 9.93 [ ] y para la altura del buje igual a 95 metros el rango de velocidades medias (Fig. 3.16) se encuentra entre 8.66 y 10.24 [ ]. Con la tabla de distribucin de frecuencias de velocidades, con la rosa de vientos del emplazamiento y el mapa del recurso del viento, se mejora la confiabilidad de la instalacin de aerogeneradores en el cerro Chocn.

35 Fuente: WAsP, rosa de vientos obtenida a 58 metros de altura sobre el nivel del suelo, considerando una rugosidad 0.030m. 36 Ley exponencial de Hellmann.

29

Fig. 3.9 Mapa del recurso del viento a 60 metros37


37 Fuente: WAsP. 38 Fuente: WAsP.

30




31

Fig. 3.13 Mapa de las velocidades medias a 60 metros41



32




33

Captulo 4

Clculo de la energa El clculo de la energa combina la incidencia de las velocidades del viento en cada aerogenerador con la curva de potencia. Adems, se obtiene la potencia de salida del parque elico, aplicando los resultados de distribucin de frecuencias en la energa neta esperada. La produccin de energa del parque elico es calculada utilizando los softwares WindFarmer y WAsP. El modelo de flujo de viento permite determinar las velocidades del viento en la ubicacin de cada aerogenerador mediante los parmetros direccionales de Weibull A y k, los cuales, representan la distribucin de probabilidad de la velocidad y direccin del viento de cada punto en una malla45. WindFarmer utiliza la distribucin de probabilidad de la velocidad y direccin del viento medida por el mstil en el emplazamiento, asociando estos datos con las predicciones del modelo de flujo de viento. Para determinar los cambios en la incidencia de las velocidades del viento en cada aerogenerador debido a los efectos de otros aerogeneradores, se utiliza un modelo de estela. La exactitud de la prediccin de estela, es cada vez ms importante para el desarrollo de parques elicos en donde los aerogeneradores se colocan ms cerca. 4.1. Entradas al programa Para estimar un valor de la produccin de energa en un parque elico, WindFarmer requiere de las siguientes entradas: [16]

45 Hacer referencia a la Seccin 3.2.

34

- Un archivo en formato WRG46 con extensiones que cubran todos los lugares destinados al aerogenerador o un archivo en formato RSF47 con resultados de la velocidad del viento en los lugares individuales del aerogenerador.

- Localizacin del aerogenerador con coordenadas UTM en una malla.

- Datos del rendimiento del aerogenerador, energa, empuje y velocidad caracterstica del rotor.

- Dimensiones del aerogenerador, especificar la altura y el dimetro del buje.

El archivo WRG, generado con WAsP, es una representacin mallada de la distribucin de la direccin y velocidad del viento en cada punto sobre el sitio. Para el clculo del rendimiento energtico, WindFarmer, utiliza los siguientes parmetros (Tabla 4.1).

Tabla 4.1 Parmetros usados para clculos energticos en WindFarmer

Clculo de energa

Valor Descripcin

Densidad del aire en el sitio de referencia

(kg/m3)

1.225 La densidad del aire para cada aerogenerador es calculada de acuerdo a la densidad de aire en el sitio a la msnm y la curva de potencia utilizada es ajustada de acuerdo a IEC 61400-12-1.

Tasa de cambio

[(kg/m3)/km] -0.113

La tasa de cambio describe la variacin de la densidad del aire con la altura.

Destinar un cambio de

direccin a un probable

sector

seleccionado

Los cambios de direccin probables siguen las predicciones del modelo de flujo utilizando, si se cuenta con un archivo *.tab asociado. Se usa con cuidado.

Rugosidad de longitud en el

sitio 0.03

Este parmetro puede ser usado para calcular los niveles de turbulencia a la altura del buje. Las ecuaciones son solo vlidas para un terreno liso uniforme.

Velocidad mxima del

viento. 70

La mxima velocidad del viento es calculada. La velocidad media del viento calculada de una distribucin de Weibull requiere un valor alto.

Nmero de pasos de direccin

360 pasos con un *.TAB de 12 sectores

Es necesario para capturar la compleja geometra de un parque elico. Para clculos exactos no se usa menos de 72 pasos. El modelo de un gran parque elico requiere 180 a 360 pasos. Para casos con uno o dos sectores de direccin dominantes de viento el uso de 60, 180 o 360 pasos por un archivo *.tab de 12 sectores; o de 90 o 360 pasos por un archivo *.tab de 18 sectores es recomendado.

Fuente: Garrad Hassan, WindFarmer 4.2, Theory manual. Wind farm design software.

46 WRG, Wind Resource Grid. 47 RSF, Resource Format.

35

4.2. Mtodo de asociacin Para el mtodo de asociacin es necesario ingresar los siguientes archivos al programa WindFarmer: [16]

- Un archivo WRG de un solo punto a la altura del mstil de referencia y si se usan ubicaciones discretas de aerogeneradores, archivos RSF, adicionalmente ingresar un archivo WRG a la altura del buje.

- Tabla de distribucin de frecuencias de la velocidad y direccin del viento, archivo *.TAB.

En el caso que estos archivos no se ingresen, WindFarmer, utilizar la informacin del archivo WRG, basado en un ajuste de la distribucin de Weibull de los datos medidos. Para regmenes de viento exactos, la distribucin de Weibull, quizs no sea una buena representacin de los climas de viento en el emplazamiento. El uso del mtodo de asociacin permite:

- Utilizar la medida de la distribucin de la velocidad y direccin del viento en lugar de la distribucin de Weibull.

- Modelar la variacin de la intensidad de turbulencia en el parque elico.

- Modelar la influencia de la topografa en los aerogeneradores.

4.3. Rendimiento neto con prdidas de estela

Para el anlisis de la produccin de energa del parque elico, se presentan tres clculos de energa para la siguientes situaciones [16].

4.3.1 Energa ideal

Todos los aerogeneradores en la ubicacin del mstil de referencia experimentan el mismo rgimen de viento a la altura del buje, sin prdida alguna.

4.3.2 Energa bruta

Todos los aerogeneradores en su ubicacin real, experimentan aceleracin topogrfica relativa al mstil, incluyendo posibles modificaciones al flujo del ambiente para grandes parques elicos y sin tolerancia alguna por prdidas de estela.

4.3.3 Energa neta sin prdidas adicionales

Todos los aerogeneradores en su ubicacin real, experimentan aceleracin topogrfica y clculos de prdidas de estela. La energa neta sin prdidas adicionales es equivalente a la energa ideal multiplicada por las eficiencias siguientes:

36

Se calcula la energa neta de salida, la eficiencia topogrfica y de arreglo para cada aerogenerador y para todo el parque elico.

4.4. Rendimiento neto incluyendo prdidas adicionales

Las prdidas adicionales, son calculadas y son expresadas en forma de eficiencias [%]. Tales como la disponibilidad, formacin de hielo y degradacin de pala, mantenimiento de subestacin, disponibilidad de la compaa elctrica distribuidora y otros factores. Se incluye prdidas debido al cierre de aerogeneradores y su impacto en el parque elico debido a los efectos estela. [16].

4.5. Modelos de estela Los clculos de efecto estela emplean un apropiado sistema donde cada aerogenerador es considerado sucesivamente con el fin de incrementar el desplazamiento axial aguas abajo. El primer aerogenerador considerado no est sujeto a efectos de estela. Al incidir la velocidad del viento en el primer aerogenerador, el coeficiente de empuje y el rango de la velocidad de punta son calculados. Su estela es luego modelada, como se describe ms adelante, y los parmetros que describen su estela son almacenados. Si alguno de los aerogeneradores aguas abajo cae dentro de la estela de este aerogenerador, la velocidad y turbulencia incidente en este aerogenerador puede ser determinada, solamente debido al aerogenerador aguas arriba que est siendo considerado. Existen dos modelos de estela disponibles en WindFarmer [16]. Debido a la complejidad de la direccin de la estela detrs del rotor, todos los modelos son iniciados con una longitud de estela de dos dimetros de rotor (2D). Esto es asumido para que sea la distancia donde los gradientes de presin ya no dominan el flujo. Si un aerogenerador est dentro de este lmite, se restablece la distancia axial desde un valor cero a un valor de 2D. Los parmetros de entrada a los dos modelos de estela son listados en la Tabla 4.2.

37

Tabla 4.2 Parmetros de entrada para los clculos de estela

Modelos Valor Descripcin

PARK modificado

Factor de expansin de

estela (k) 0.07

Describe el rango de expansin lineal de la estela asumida. Este valor se incrementa para el caso de alta turbulencia, y disminuye para offshore.

Longitud de rugosidad de superficie (z0)

0.03m La ecuacin 4.4 es utilizada para obtener el factor de expansin de estela de una longitud de rugosidad de superficie.

Eddy viscosity

Mxima longitud de

estela 50 D

Mxima longitud de estela para limitar los clculos, D (Dimetros de rotor (m)). Los aerogeneradores ms lejanos deben ser tratados como fuentes de rugosidad.

Mxima turbulencia admisible

20% Los clculos devolvern un error si el nivel de turbulencia establecido es excedido, la turbulencia es calculada como un promedio de todas las condiciones de velocidad del viento.

Recuperacin de estela

0.2% Parmetro para acelerar los clculos de la estela. Los clculos se detienen y asumen que la estela se recupera en un porcentaje de desviacin de la velocidad del viento incidente.

Intensidad de turbulencia ambiente

10% La intensidad de turbulencia puede ser ingresada como una funcin de la velocidad del viento y/o direccin.


4.5.1 Modelo PARK modificado

El modelo PARK modificado est basado en el mtodo presentado por Jensen y Katic.48 Adems este modelo simple est basado en un algoritmo usado en PARK [16]. 4.5.1.1 Inicializacin del modelo Este modelo de dos dimensiones, utiliza el momento terico para predecir el perfil inicial asumiendo un perfil rectangular de la velocidad del viento y la expansin lineal de la estela detrs del rotor. En la Figura 4.1, se ilustra el campo de estela utilizado por el modelo.

48 Fuente: Sanderhoff P., Park-user's guide, RIS, 1993.

38

Figura 4.1 Campo de estela utilizado en el modelo PARK modificado

para calcular el viento a la salida del aerogenerador49

4.5.1.2 Desarrollo de la estela La velocidad del viento aguas abajo es calculada usando la siguiente frmula

50:

[ ( ) (

)

]

donde es la velocidad del viento sin disturbio aguas arriba, D es el dimetro del rotor, es el coeficiente de empuje y k es la constante de decaimiento que es definida por la siguiente expresin51:

donde h es la altura respecto al nivel del suelo, es la longitud de rugosidad de la superficie y A es una constante igual a 0.5. Este valor de k establecido es el mismo para todas las direcciones del viento. Se asume que no hay una variacin significante sobre la rugosidad de superficie del sitio y sus alrededores. 4.5.1.3 Superposicin de estela Para cada aerogenerador aguas abajo de los aerogeneradores bajo consideracin, se determina el desplazamiento axial asumiendo una estela de rotacin simtrica. Luego se calcula el ancho de la estela y la velocidad del viento en este desplazamiento. Los aerogeneradores afectados por la estela quizs no estn totalmente dentro de la estela as que se determina el porcentaje que cubre el rotor del aerogenerador. Si el rotor total est 49 Fuente: Garrad Hassan, WindFarmer 4.2, Theory manual. Wind farm design software. 50 Fuente: Jensen N., A note on wind generator interaction, RIS M-2411, 1983. 51 Fuente: Katic I., Hostrup J. and Jensen N., A simple model for cluster efficiency, EWEC'86.

39

dentro de la estela, luego la velocidad del viento es establecida como . Si algn rotor est fuera de la estela, la velocidad del viento en el aerogenerador es la suma de y la velocidad del viento aguas arriba del aerogenerador creando la estela multiplicada por los porcentajes relativos que cubren el rotor. Si el aerogenerador bajo consideracin est dentro de la estela de otro aerogenerador, el dficit de la velocidad de la estela corrige la velocidad que incide en el rotor, velocidad de la corriente libre del viento. Esta correccin es necesaria para asegurar que a una distancia lejana aguas abajo, la velocidad del viento de la estela recuperar el valor de la corriente libre y luego incidir en el rotor. Por lo tanto, la velocidad inicial en la lnea central , est relacionada con la velocidad de afluencia promedio y la velocidad del viento aguas arriba de acuerdo a la siguiente frmula: Para combinar las estelas de dos aerogeneradores sobre un tercer aerogenerador, todos los efectos de estela son considerados como grandes dficit y otros pequeos efectos de estelas no son tomados en cuenta. Esta metodologa, se basa en los resultados de evaluaciones y datos medidos de varios parques elicos.

4.5.2 Modelo Eddy viscosity

El modelo de estela Eddy viscosity, es un clculo CFD52, representa el desarrollo del campo de estela con dficit de velocidad utilizando una solucin de diferencias finitas, ecuaciones de Navier-Stokes53 en coordenadas axi-simtricas. Este modelo observa automticamente la conservacin de la masa y el momento en la estela. La viscosidad de Eddy es promediada a travs de cada seccin aguas abajo de la estela, est relacionada al gradiente de los esfuerzos cortantes del dficit de velocidad. El campo de estela medio, se obtiene por una superposicin lineal del dficit de campos de estela y el flujo de viento incidente. Este modelo est basado en un trabajo conducido por Ainslie [16]. En la Figura 4.2, se ilustra el perfil de estela utilizado en el modelo Eddy viscosity. Las letras significan: incidente, central y ancho, respectivamente.

52 CFD (Computational Fluent Dinamics) 53 Las ecuaciones de Navier-Stokes son un conjunto de ecuaciones en derivadas parciales no lineales que describen el movimiento de un fluido newtoniano, es decir un fluido cuya viscosidad puede considerarse constante en el tiempo y es sencillo de describir.

40

Figura 4.2 Perfil de estela utilizado en el modelo Eddy viscosity54

4.5.2.1 Ecuaciones del modelo De las ecuaciones de Navier-Stokes con esfuerzos de Reynolds y trminos viscosos se obtuvo: 55

El concepto de viscosidad turbulenta es utilizado para describir los esfuerzos con una viscosidad de Eddy definida por: 56 y

y son las escalas de longitud y velocidad adecuadas de la turbulencia como una funcin de la distancia pero independiente de . La escala de longitud es tomada como proporcional al ancho de la estela y la escala de velocidad es proporcional a la diferencia a travs de la capa cortante. La ecuacin 4.8 permite que los trminos de esfuerzos cortantes , se expresen en trminos de la viscosidad de eddy. La ecuacin diferencial que gobierna es la siguiente:

54 Fuente: Garrad Hassan, WindFarmer 4.2, Theory manual. Wind farm design software. 55 Fuente: Tennekes H. and Lumley J., A first course in turbulence. MIT Press, 1980. 56 Fuente: Prandtl L., Bemerkungen zur theorie der freien turbulenz. ZAMM, 22(5), 1942.

41

El flujo del viento del ambiente, en un parque elico debe ser considerado como turbulento. Por lo tanto, la viscosidad de Eddy en la estela no puede ser totalmente descrita solo como contribucin de cortante, los trminos del ambiente se incluyen. Por consiguiente, la viscosidad de Eddy global es la siguiente: 57

donde la funcin de filtrado es un factor aplicado para condiciones de cercana de estelas. Este filtro puede ser introducido para permitir la construccin de una estela mezclndola con turbulencia. La constante adimensional es un valor constante sobre todo el campo de flujo y el valor por defecto es 0.015. El trmino de la viscosidad de Eddy del ambiente es calculado por la siguiente ecuacin propuesta por Ainslie: 58

es la constante de Von Karman con un valor de 0.4. Como resultado de las comparaciones entre el modelo y los reportes medidos por Taylor59, la funcin de filtro se fija en la unidad. 4.5.2.2 Inicializacin del modelo El dficit de velocidad en la lnea central se calcula al empezar el modelo de estela (dos dimetros aguas abajo) usando la ecuacin emprica propuesta por Ainslie: 60

[ ]

Se asume un perfil Gaussiano de la velocidad del viento y conservacin del momento, una expresin para obtener el ancho de estela es:

El ancho de la estela es usado para definir como 1.89 veces la mitad del ancho del perfil Gaussiano. Con las ecuaciones anteriores, la viscosidad de Eddy promedio a una distancia de 2D aguas abajo del aerogenerador es calculada.

57 Fuente: Ainslie J. F., Calculation the flowfield in the wake of wind turbines. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodinamics, Vol 27, 1988. 58 Fuente: Ainslie J. F., Calculation the flowfield in the wake of wind turbines. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodinamics, Vol 27, 1988. 59 Fuente: Taylor G. J., Wake measurements on the nibe wind turbines in Denmark. National Power, ETSU WN 5020, 1990. 60 Fuente: Ainslie J. F., Calculation the flowfield in the wake of wind turbines. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodinamics, Vol 27, 1988.

42

Sin embargo, si el aerogenerador bajo consideracin est dentro de la estela de otro aerogenerador, el dficit de la velocidad de la estela corrige la velocidad que incide en el rotor, velocidad de la corriente libre del viento. Esta correccin es necesaria para asegurar que a una distancia lejana aguas abajo, la velocidad del viento de la estela recuperar el valor de la corriente libre y luego incidir en el rotor. Por lo tanto, la velocidad inicial en la lnea central est relacionada con la velocidad de afluencia promedio y la velocidad del viento aguas arriba de acuerdo a la siguiente frmula:

(

) (

)

4.5.2.3 Desarrollo de la estela Utilizando el mtodo de Crank Nicholson61, una matriz triangular diagonal puede ser generada y resuelta en el primer nodo de la malla de la estela, obteniendo la velocidad de la lnea central en el siguiente punto de la malla aguas abajo. El proceso se repite para cada nodo de la malla a su vez. De estas soluciones, solo la velocidad central de la estela y el ancho de la estela son almacenados para cada nodo axial central para una eficiencia del programa. Una vez calculada la longitud total de la estela, se determina el efecto de la estela en los aerogeneradores aguas abajo. Se calcula la velocidad del viento que incide en el rotor para cada aerogenerador aguas abajo que se encuentre dentro de la estela. El perfil de velocidad a travs del aerogenerador que es afectado por la estela se calcula asumiendo un perfil Gaussiano basado en la velocidad de la lnea central aguas abajo. Si alguna parte del rotor est fuera de la estela, la velocidad del viento para esa porcin del rotor se establece como la velocidad del viento incidente en el rotor, creando la estela. El perfil de velocidad a travs del rotor del aerogenerador est integrado para producir una velocidad media del viento incidente a la altura del buje del aerogenerador. Esto es asumido para representar la velocidad del viento incidente a travs de todo el disco del rotor [16].

4.6. Potencia elica disponible

La potencia elica disponible en un rea transversal y perpendicular al movimiento del flujo de viento de velocidad (Figura 4.3) [m/s], con densidad de aire [kg/m3] es calculada y expresada por unidad de rea como sigue [9,10]:

[ ]

donde: es la densidad del aire estndar, un valor de 1.225 [kg/m3], es el rea expuesta al viento [m2], es la velocidad media del viento [m/s].

61 Fuente: Press W. H. et al, Numerical recipes in fortran. 2 ed. Cambridge University Press, 1992.

43

4.7. Potencia elica aprovechable

La potencia elica aprovechable es la fraccin de potencia que realmente es capturada por el aerogenerador, la cual est determinada por un parmetro muy importante conocido como factor de carga expresado en (%) [11,12].

[ ]

El se define como la relacin entre la produccin anual de energa y la produccin terica mxima, si el aerogenerador estuviera funcionando a su potencia nominal durante las 8760 horas del ao o en cualquier periodo de muestreo [11].

Fig. 4.3 rea A barrida por el rotor de dimetro D.62

El mximo es 16/27 y fue determinado por Betz (1926) [13].

4.8. Clculo de la Potencia elica disponible

Para el clculo de la potencia elica disponible en el emplazamiento se utiliz la distribucin de probabilidades de velocidades de viento en el mstil de medicin.

4.8.1 El primer mstil de medicin o torre de telefona

Con los datos obtenidos del primer mstil de medicin se calcul la tabla de distribucin de frecuencias de las velocidades (TDF) para el cerro Chocn (Tabla 4.3).

62 Tony Burton (2001).Wind energy handbook. New York: John Wiley & Sons Limited.

44

Tabla 4.3 TDF de velocidades de viento (58 m) Datos


Centro de la clase

Frecuencia relativa

(m/s) vi (m/s) (%) 0 v 1,5 1 0.0038

1,5 v 2,5 2 0.0112

2,5 v 3,5 3 0.0230

3,5 v 4,5 4 0.0449

4,5 v 5,5 5 0.0801

5,5 v 6,5 6 0.1169

6,5 v 7,5 7 0.1352

7,5 v 8,5 8 0.1285

8,5 v 9,5 9 0.1137

9,5 v 10,5 10 0.0951

10,5 v 11,5 11 0.0784

11,5 v 12,5 12 0.0635

12,5 v 13,5 13 0.0445

13,5 v 14,5 14 0.0298

14,5 v 15,5 15 0.0177

15,5 v 16,5 16 0.0090

16,5 v 17,5 17 0.0030

17,5 v 18,5 18 0.0013

19,5 v 20,5 19 0.0004

20,5 v 21,5 20 0.0002

Total 1

El potencial elico disponible en el cerro Chocn se calcul en la Tabla 4.4 y representa la potencia media elica por unidad de superficie para un determinado periodo de tiempo (1 ao), supuesta una densidad del aire constante ( ). Con los datos del primer mstil se obtuvo que la Potencia elica disponible es de 518 [ ].

45

Tabla 4.4 Clculos de la potencia elica disponible (58 m) Clculos

Frecuencia relativa

Potencia elica disponible (W/m2)

Frecuencia

(%) (Pd/A)=(1/2)v^3 (Pd/A)fi Frecuencia

relativa ni (horas)

0.0038 0.613 0.002 0.000 33

0.0112 4.900 0.055 0.000 98

0.0230 16.538 0.380 0.001 201

0.0449 39.200 1.760 0.003 393

0.0801 76.563 6.131 0.012 702

0.1169 132.300 15.463 0.030 1024

0.1352 210.088 28.398 0.055 1184

0.1285 313.600 40.290 0.078 1125

0.1137 446.513 50.758 0.098 996

0.0951 612.500 58.237 0.112 833

0.0784 815.238 63.902 0.123 687

0.0635 1058.400 67.195 0.130 556

0.0445 1345.663 59.870 0.116 390

0.0298 1680.700 50.075 0.097 261

0.0177 2067.188 36.582 0.071 155

0.0090 2508.800 22.575 0.044 79

0.0030 3009.213 9.026 0.017 26

0.0013 3572.100 4.643 0.009 11

0.0004 4201.138 1.680 0.003 4

0.0002 4900.000 0.980 0.002 2

1 518 1 8760

Resultados

Densidad media de potencia elica disponible: /A= 518 W/m2

Densidad de energa disponible anual: Ed/A= 4.54 MWh/m2

De la grfica de frecuencias relativas acumuladas (Figura 4.4) se deduce la fraccin de das del periodo considerado en los que la velocidad media del viento es menor o igual a un valor de la velocidad (por ejemplo, se presentan un 3.8 % de los das, 14 das de los 365 considerados, en los que la velocidad media diaria ser menor o igual a 4 m/s). De la curva de duracin de velocidad (Figura 4.5) se deduce el nmero de das para los que la velocidad ser mayor a un cierto valor (por ejemplo, tendremos 214 das cuya velocidad ser mayor que 8 m/s).

46

Fig. 4.4 Frecuencias relativas acumuladas menor o igual que 63

Fig. 4.5 Curva de duracin de la velocidad mayor que 64

63 Fuente propia. 64 Fuente propia.

47

4.8.2 El segundo mstil de medicin o torre tubular

Con los datos obtenidos del segundo mstil de medicin se calcul la tabla de distribucin de frecuencias de velocidades (TDF) para el cerro Chocn (Tabla 4.5).

Tabla 4.5 TDF de velocidades de viento (60 m) Datos


Centro de la clase

Frecuencia relativa

(m/s) vi (m/s) (%)

0 v 1,5 1 0.0037

1,5 v 2,5 2 0.0063

2,5 v 3,5 3 0.0162

3,5 v 4,5 4 0.0344

4,5 v 5,5 5 0.0750

5,5 v 6,5 6 0.1392

6,5 v 7,5 7 0.1855

7,5 v 8,5 8 0.1857

8,5 v 9,5 9 0.1459

9,5 v 10,5 10 0.1022

10,5 v 11,5 11 0.0640

11,5 v 12,5 12 0.0289

12,5 v 13,5 13 0.0099

13,5 v 14,5 14 0.0028

14,5 v 15,5 15 0.0004

15,5 v 16,5 16 0.0001

Total 1

El potencial elico disponible en el cerro Chocn se calcul en la Tabla 4.6 y representa la potencia media elica por unidad de superficie para un determinado periodo de tiempo (1 ao), supuesta una densidad del aire constante ( ). Con los datos del segundo mstil se obtuvo que la Potencia elica disponible es de 353 [ ].

De la grfica de frecuencias relativas acumuladas (Figura 4.6) se deduce la fraccin de das del periodo considerado para que la velocidad media del viento es menor o igual a un valor de la velocidad (por ejemplo, se presentan un 2.6% de los das, 9 das de los 365 considerados, en los que la velocidad media diaria ser menor o igual a 4 m/s). De la curva de duracin de velocidad (Figura 4.7) se deduce el nmero de das para los que la velocidad ser mayor a un cierto valor (por ejemplo, tendremos 197 das cuya velocidad ser mayor que 8 m/s).

48

Tabla 4.6 Clculos de la potencia elica disponible (60 m) Clculos

Frecuencia relativa

Potencia elica disponible (W/m2)

Frecuencia

(%) (Pd/A)=(1/2)v^3 (Pd/A)fi Frecuencia

relativa ni (horas)

0.0037 0.613 0.002 0.000 32

0.0063 4.900 0.031 0.000 55

0.0162 16.538 0.268 0.001 142

0.0344 39.200 1.348 0.004 301

0.0750 76.563 5.741 0.016 657

0.1392 132.300 18.412 0.052 1219

0.1855 210.088 38.963 0.111 1625

0.1857 313.600 58.224 0.165 1626

0.1459 446.513 65.133 0.185 1278

0.1022 612.500 62.585 0.178 895

0.0640 815.238 52.165 0.148 561

0.0289 1058.400 30.582 0.087 253

0.0099 1345.663 13.319 0.038 87

0.0028 1680.700 4.705 0.013 25

0.0004 2067.188 0.827 0.002 4

0.0001 2508.800 0.251 0.001 1

1 353 1 8760

Resultados

Densidad media de potencia elica disponible: /A= 353 W/m2

Densidad de energa disponible anual: Ed/A= 3.09 MWh/m2

Los valores promedio durante 10 minutos de la velocidad y direccin instantneas constituyen series de gran detalle y para un ao representan 6x8760 =52560 valores para cada magnitud (velocidad y direccin). 65 Es importante resaltar que mientras mayor nmero de aos sean tomados en cuenta para el clculo del potencial elico disponible en un emplazamiento, los resultados sern mucho ms confiables.

65 Villarubia, Miguel (2004). Energa elica. 1 ed. Espaa: Ediciones Ceac.

49

Fig. 4.6 Frecuencias relativas acumuladas menor o igual que 66

Fig. 4.7 Curva de duracin de la velocidad mayor que 67

Los datos obtenidos del primer mstil de medicin (5x6x8760 = 262800) son mucho ms confiables que el segundo mstil (3x6x8760 = 157680), debido a la mayor cantidad de datos con los que este cuenta. Adems, hay un aumento en la media de las velocidades medias del viento (7.76 a 8.44 m/s) y un aumento de la desviacin estndar (2.17 a 3.05 m/s). Tambin aument el lmite

66 Fuente propia. 67 Fuente propia.

50

superior del rango de velocidades a 11 m/s y el rango mnimo de velocidades a 5 m/s, es importante resaltar que la velocidad de arranque de la mayora de aerogeneradores es de 4 m/s.

4.9. Clculo del factor de carga

En la Tabla 4.7 se muestra una escala de valoracin, elaborada sobre la base de la experiencia del comportamiento de aerogeneradores que actualmente se encuentran en operacin.

Tabla 4.7 Comportamiento de un aerogenerador en funcin del factor de carga Factor de carga Valoracin Factor de carga Valoracin

>0.50 Extraordinario 0.25-0.30 Bueno 0.40-0.50 Excelente 0.20-0.25 Aceptable 0.30-0.40 Muy bueno

51

4.9.2 El segundo mstil de medicin o torre tubular

Con los datos medidos a la altura de buje de 60 m se procedi a calcular los factores de carga para los aerogeneradores de 1.8MW, 2MW y 3MW utilizando la tabla de distribucin de frecuencias de velocidades de viento anual.

Tabla 4.9 Clculo del factor de carga para cada aerogenerador Curva de potencias Potencia aprovechada

Potencia de aerogenerador de V90-1,8MW

Potencia de aerogenerador de V90-2MW

Potencia de aerogenerador de V90-3MW

Potencia V90-1,8MW

Potencia V90-2MW

Potencia V90-3MW

(MW) (MW) (MW) (MWh) (MWh) (MWh)

0.000 0.000 0.000 0 0 0 0.000 0.000 0.000 0 0 0 0.000 0.000 0.000 0 0 0 0.091 0.091 0.077 27 27 23 0.200 0.200 0.190 131 131 125 0.362 0.362 0.353 441 441 430 0.588 0.588 0.581 955 955 944 0.889 0.889 0.886 1446 1446 1441 1.255 1.256 1.273 1604 1605 1627 1.604 1.637 1.710 1436 1465 1531 1.769 1.904 2.145 992 1067 1202 1.798 1.988 2.544 455 503 644 1.815 1.999 2.837 157 173 246 1.815 2.000 2.965 45 49 73 1.815 2.000 2.995 6 7 10 1.815 2.000 3.000 2 2 3

7697 7873 8299

Factor_carga 0.49 0.45 0.32

Debido a la mayor cantidad de datos con los que cuenta el primer mstil el factor de carga o factor de aprovechamiento del viento es mayor. Adems, el primer mstil presenta un registro de valores de velocidad hasta los 20 m/s. Al probar los aerogeneradores a 80 m de altura, haciendo uso del software de modelacin del flujo de viento WAsP se obtienen los siguientes factores de carga:

- Para el aerogenerador - Para el aerogenerador - Para el aerogenerador

Al probar los aerogeneradores a 95 m de altura, haciendo uso del software de modelacin del flujo de viento WAsP se obtienen los siguientes factores de carga:

- Para el aerogenerador - Para el aerogenerador - Para el aerogenerador

Como se esperaba, al aumentar la altura crece la velocidad media del viento, la cual es directamente proporcional al factor de carga, haciendo que este aumente.

52

4.10. Seleccin de aerogeneradores

Para la seleccin del aerogenerador, se tiene en cuenta factores como la densidad de potencia producida, la velocidad media del viento a la altura del buje, clase de viento en el emplazamiento y el factor de carga del aerogenerador. 4.10.1 Clases de viento de los aerogeneradores

Las clases de aerogenerador estn principalmente definidas por la velocidad del viento media anual (medida a la altura del buje), la velocidad de las rfagas extremas que podran ocurrir una vez cada 50 aos y la cantidad de turbulencia que hay en el emplazamiento. Por otra parte, las tres clases de viento para los aerogeneradores (Tabla 3), estn definidas por un estndar de la IEC (Comisin Electrotcnica Internacional) 61400 y corresponden a viento alto, medio y bajo [16]. Tabla 4.10 Clases de viento para aerogeneradores en condiciones de viento estndar

Clases de vientos de los

aerogeneradores

IEC I viento alto

IEC II viento medio

IEC III viento bajo

Velocidad anual promedio

10m/s 8.5m/s 7.5m/s

Velocidad de rfagas extremas que ocurren una vez cada 50 aos

70m/s 59.5m/s 52.5m/s

Clases de turbulencia

A 18% A 18% A 18%

B 16% B 16% B 16%


Con la Tabla 3.3 se determin que la velocidad media del viento en el emplazamiento se encuentra entre 8 y 9 m/s a la atura de 80 y 95 m, con lo cual se concluye que la clase de viento para el aerogenerador en el emplazamiento es IEC II. En resumen, el V90-1.8 MW es ideal para emplazamientos IEC II, mientras que el V90-2.0 MW es ms adecuado para los emplazamientos IEC III y el V90-3.0 MW tiene mejor funcionamiento para los emplazamientos IEC I. 4.10.2 Caractersticas del aerogenerador seleccionado

El aerogenerador Vestas V90-1.8 MW (Figura 4.8) se dise para sacar el mximo partido de los emplazamientos con vientos medios, IEC II. Es importante resaltar que este tipo de aerogeneradores alcanzan 1.815 MW de potencia nominal a 60 Hz.

53

Datos:

Datos de funcionamiento Potencia nominal: IEC II A 60 Hz: 1.815 MW Velocidad de arranque: 4 m/s Velocidad nominal: 13 m/s Velocidad de desconexin o parada: 25 m/s Clases de viento: IEC IIA Temperatura de funcionamiento: rango estndar entre -20C y 40C, opcin de baja temperatura de -30C a 40 Rotor Dimetro de rotor: 90 m rea barrida: 6,362 m2 Velocidad nominal de giro: 14.5 rpm Rango de velocidades de giro: 9.3 - 16.6 rpm Freno de aire: Hoja completa con flecos de tres cilindros pitch Elctrico Frecuencia: 50 Hz/60 Hz Tipo de generador: 4-polos asncrono (50 Hz)/6-polos asncrono (60 Hz), con velocidad variable. Caja de cambios Tres etapas planetarias / helicoidales Regulacin de potencia "Regulacin pitch", control (rotor con velocidad variable)

Fig. 4.8 Aerogenerador Vestas 90 - 1.8 MW68

68 Fuente: http://www.vestas.com/

54

La curva de potencia seleccionada es de un aerogenerador con regulacin activa ("pitch regulation"), regulacin frecuente en aerogeneradores de gran potencia. Se caracteriza porque se mantiene sensiblemente constante en todo el rango de velocidades comprendido entre la velocidad nominal y la de desconexin. En la Figura 4.9, se ilustra la curva de potencia del aerogenerador de eje horizontal (tripala) de potencia nominal 1.8 MW (velocidad de arranque 4 m/s, velocidad nominal 13 m/s y velocidad de parada 25 m/s).

Fig. 4.9 Curva de potencia del aerogenerador seleccionado

En la Figura 4.10, se ilustra el coeficiente de potencia del aerogenerador V90-1.8 MW, el mximo valor del coeficiente de potencia es de 0.45, es decir que como mximo el rotor aprovecha slo el 45% de la potencia disponible en el aire, y esto ocurre en el rango de velocidades medias de viento entre 6 y 9 m/s.

Fig. 4.10 Coeficiente de potencia del aerogenerador seleccionado

En la Figura 4.11 se ilustra el coeficiente de empuje del aerogenerador V90-1.8 MW, se observa que el mximo valor del coeficiente de empuje es de 0.85 en el arranque a 4m/s y luego se mantiene casi constante en 0.8 en el rango de velocidades medias de viento entre 5 y 9 m/s, es decir que la fuerza de empuje es mayor a estas velocidades, con lo cual la potencia en el rotor tambin es mayor.

55

Fig. 4.11 Coeficiente de empuje del aerogenerador seleccionado

4.11. Terreno ocupado por los aerogeneradores

El rea que ser utilizada para el parque elico es de 2200 ha, se ocupar las zonas en donde el potencial elico es mayor, donde se ubicarn las torres de las turbinas, caminos de acceso a las torres, y la subestacin elctrica. En la Figura 4.12 y en Tabla 4.10 se visualizan las coordenadas UTM del polgono que encierra a los aerogeneradores.

Figura 4.12 Distribucin de los aerogeneradores, proyecto total69

69 Fuente: WindFarmer.

56

Tabla 4.11 Coordenadas UTM del polgono que encierra a los aerogeneradores

Vrtice Coordenada-y Coordenada-x

1 9421981 502014 2 9422003 498990 3 9422998 499016 4 9423011 499989 5 9424015 499993 6 9424015 501037 7 9425984 501010 8 9425988 502994 9 9428005 503996 10 9428998 504010 11 9428996 506030 12 9428018 506030 13 9427992 506995 14 9427014 507047 15 9426988 508012 16 9425971 508038 17 9425984 506030 18 9427014 505991 19 9427027 505013 20 9424995 505004 21 9424995 504006 22 9423003 504002 23 9422981 502000

4.12. Configuracin del parque elico

Para la configuracin de un parque elico deben tomarse en cuenta caractersticas correspondientes al viento y al rea disponible, as como tambin las caractersticas propias del aerogenerador. Cuando existe un viento con una direccin predominante, en general se recomienda una distribucin en filas alineadas, con separacin transversal (perpendicular a la del viento dominante) entre turbinas de 3 a 5 veces el dimetro del rotor, y de 5 a 9 veces el dimetro del rotor en direccin del viento dominante. Si el viento, tiene frecuentes cambios de direccin con respecto a la velocidad predominante, los aerogeneradores se colocan al tresbolillo [17]. Para la distribucin de los aerogeneradores (Figura 4.13), se utiliz un llenado simtrico configurado de la siguiente manera:

- En la direccin del eje principal (160) la separacin a lo largo de dicho eje es de 6 dimetros de rotor y el nmero mximo de aerogeneradores es de 10.

57

- En la direccin del eje principal (250) la separacin a lo largo de dicho eje es de 3 dimetros de rotor y el nmero mximo de aerogeneradores es de 50.

Figura 4.13 Distribucin de los aerogeneradores, proyecto total70

El proyecto consiste en la creacin de una central elica de capacidad de 60 MW de potencia instalada, utilizando 34 aerogeneradores de 1.8 MW como una primera etapa, luego se busca incrementar la potencia instalada de la central elica a 260 MW, instalando 110 aerogeneradores ms de 1.8 MW, segunda etapa (Figura 4.14). En la Tabla 4.12 se observa a detalle lo que sera el proyecto de la central elica, dividida en etapas de construccin. Es importante resaltar que el aerogenerador V90-1.8 MW a 60Hz genera 1.815 MW, este valor ha sido considerado en todos los clculos.

Tabla 4.12 Divisin del proyecto de la central elica

Ubicacin Cantidad de

aerogeneradores Potencia instalada

Zona I (1era etapa) 36 65.34 MW Zona II (2da etapa) 108 196.02 MW TOTAL 144 261.36 MW

En la Figura 4.14 y 4.15, se ilustra la ubicacin de los aerogeneradores en el emplazamiento, utilizando la navegacin en la interfaz de Google earth. Para esto se cre un archivo *.kml71 con el Mdulo de Visualizacin de WindFarmer.

70 Fuente: WindFarmer.

58

Figura 4.14 Distribucin de los aerogeneradores72

Figura 4.15 Vista area del emplazamiento73

71 Un fichero KML especifica una caracterstica (un lugar, una imagen o un polgono) para Google Earth. Contiene ttulo, una descripcin bsica del lugar, sus coordenadas (latitud y longitud) y alguna otra informacin para representar datos geogrficos en tres dimensiones. 72 Fuente: Google Earth. 73 Fuente: Google Earth.

59

Captulo 5

Resultados En la Figura 5.1 se muestra la ubicacin de la Zona I y la ubicacin de la Zona II. Se ha decidido que para la primera etapa del proyecto se instale un nmero de 36 aerogeneradores conectados a una red de 220 kV que se tendra que construir y llevarla desde el parque elico hasta la estacin de 200 MW que se encuentra en la interseccin de la carretera Piura-Paita-Sullana (Fig. 5.2).

Fig. 5.1 Zonas de mejor potencial elico74

74 Fuente: WAsP.

60

Fig. 5.2 Ubicacin geogrfica del emplazamiento75

Para el clculo de la Energa ideal, todos los aerogeneradores experimentan el mismo rgimen de viento a la altura del buje como en el mstil de referencia, sin prdida alguna. Mientras que para el clculo de la Energa bruta, todos los aerogeneradores se consideran en su ubicacin real, con aceleracin topogrfica relativa al mstil [16]. La eficiencia topogrfica se calcul de la relacin entre la energa bruta y la energa ideal. Por otra parte, para las prdidas por efecto de estela se consider una recuperacin de la estela del 0.2 % cada 2D, segn el modelo Eddy viscosity basado en un trabajo conducido por Ainslie (1985) [18]. Una medida de la fluctuacin atmosfrica o turbulencia atmosfrica es la intensidad de turbulencia, la cual se encuentra en el rango de 0.1 a 0.4 [14]. El valor utilizado en este proyecto para la intensidad de turbulencia mxima admisible es de 0.2 y la intensidad de turbulencia ambiente es de 0.1.

5.1. Resultados a la altura de 80 m

En la Tabla 5.1 que se muestra a continuacin se presenta un resumen de la energa generada por el proyecto a la altura de buje de 80 m. Las prdidas han sido consideradas a manera de eficiencias, y estos valores han sido tomados con el fin de obtener la energa que producira la central en funcionamiento.

75 Fuente: Google Earth.

61

Tabla 5.1 Resumen de la energa generada en la central elica Potencia del

emplazamiento 261.4 MW

Produccin energtica ideal

1434 GWh/ao

Produccin energtica bruta

1454 GWh/ao

Eficiencia Topogrfica

101.378 %

Prdidas por efecto estela

94.450 %

Eficiencia elctrica 98.000 % Disponibilidad 98.000 % Otros Factores 98.000 %

Formacin de hielo y degradacin de pala

99.500 %

Mantenimiento de subestacin

99.8000 %

Paradas de compaa elctrica

distribuidora

90.000 %

Produccin energtica anual neta

1155 GWh/ao

Factor de capacidad estimado

50.4 %

Fuente: WindFarmer. La eficiencia topogrfica es favorable dadas las caractersticas topogrficas y orogrficas del emplazamiento, se consigue aumentar la Produccin de energa ideal en 1.378 % obtenindose la Produccin de energa bruta igual a 1454 GWh/ao. Por otro lado, las prdidas por efecto de estela disminuyen la produccin de energa en un 5.55 %, es decir que se pierde 80.69 GWh/ao. Adems se ha considerado para la obtencin prdidas por condiciones reales de instalacin, as como tambin un Margen de reserva operativo (MRO) igual al 10 % que comprende las prdidas de transmisin, distribucin y fallas de la central. El valor de la intensidad de turbulencia promedio a la que estarn sometidos los aerogeneradores que se encuentran a la altura de 80 m es de 12.38 %. En la Figura 5.3 se observa la energa neta producida por cada aerogenerador, esta energa ha sido calculada considerando aceleracin topogrfica y clculos de prdidas de estela para cada aerogenerador segn su ubicacin real. La mayora de los aerogeneradores producen entre 8.5 y 9 GWh/ao, alcanzando algunos de estos los 10 GWh/ao por encontrarse en la Zona II.

62

Fig. 5.3 Grfica de la energa neta y bruta por aerogenerador a 80 m76

En la Figura 5.4 se observa la energa neta generada por sectores, cada sector segn la rosa de vientos utilizada es de 30, como era de esperarse la mayor parte de la produccin de energa es generada por los aerogeneradores que se encuentran en los sectores 6 (150) y 7 (180). La Produccin de Energa Bruta Anual considerando los 12 sectores es de 1454 GWh/ao mientras que la Produccin de Energa Anual Neta es de 1155 GWh/ao.

Fig. 5.4 Grfica de la energa neta por sectores a 80 m77

76 Fuente propia, ha

EVALUACIÓN DEL POTENCIAL EÓLICO PARA UN EMPLAZAMIENTO SELECCIONADO EN LA REGIÓN PIURA UTILIZANDO...

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