Recurso eólico y meteorología PDF 2022

Recurso eólico y meteorología 1.1 0683. Gestión del En este documento se presentan las ideas básicas sobre el aprovechamiento del...

Recurso eólico y meteorología 1.1 0683. Gestión del En este documento se presentan las ideas básicas sobre el aprovechamiento del recurso eólico, así como su origen y la forma de analizar datos estadísticos que montaje de parques nos permitan establecer los parámetros necesarios para instalar una planta eólica. eólicos 1. Breve revisión histórica del aprovechamiento del viento CFGS Técnico en energías 2. Meteorología, viento y energía eólica. renovables 3. Variaciones del viento con condiciones locales y con la altura y turbulencia. 4. Métodos de análisis de recurso eólico Curvas de distribución Profesor: Juan Antonio Terrones de velocidad y rosas de los vientos. Ranz 2022 CPRI FLC Rev. Modificación Fecha Página Autor Contenido 1. Empleo de la energía del viento, breve revisión histórica................................................ 1 2. El viento, meteorología y energía eólica.......................................................................... 4 2.1. La atmósfera.............................................................................................................. 4 2.1.1. El origen del viento: El papel del sol en la atmósfera..........................................7 2.1.2. Tipos de vientos................................................................................................10 3. Variación del perfil vertical de velocidades del viento e influencia del terreno............. 13 3.1.1. Influencia del relieve del terreno......................................................................17 3.1.1.1. Influencia de obstáculos........................................................................... 18 3.1.1.2. Turbulencias afección e intensidad........................................................... 20 3.2. Potencia eólica disponible....................................................................................... 23 4. Estimación del recurso eólico: Curvas de distribución y rosas de viento....................... 25 4.1. Toma de medidas de las magnitudes del viento...................................................... 25 4.1.1. Presentación de los datos, magnitudes e interpretación..................................27 4.1.1.1. Rosas de Viento: Gráficas de velocidad y dirección.................................. 29 4.1.1.2. Histograma de la distribución de la velocidad anual................................. 31 4.1.1.3. Histograma de frecuencias relativas......................................................... 32 4.1.1.4. La distribución de Weibüll......................................................................... 34 FT_06830101 Curso 22/23 ENA FT_06830101 Curso 22/23 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 Recurso eólico y meteorología COD: 06830101 Juan Antonio Terrones Ranz Página 1 de 35 CFGS Técnico en Energías Renovables 1. Empleo de la energía del viento, breve revisión histórica. Podemos caracterizar, a grandes rasgos, el viento como el movimiento de masas de aire y por tanto considerarla como energía cinética. Antiguamente esta energía “gratis” no pasó desapercibido. De esta forma aproximadamente en el 4500 a.c se comenzó a aprovechar este tipo de energía. Su primer uso seguramente estuvo relacionado con las velas y la navegación, pero el ser humano no tardó mucho en desarrollar molinos y hacia el 200 a. C, molinos de viento sencillos servían para bombear agua en China. Los primeros molinos de eje vertical aparecieron en el siglo VII. Fue en Europa, a lo largo del siglo XII, cuando por la necesidad de procesar el grano de forma más eficiente y que requiriera menos mano de obra, se idearon los primeros molinos de eje horizontal, los cuales en esencia, ya se asemejan bastante a los aerogeneradores modernos. Esta tecnología alcanzó su máximo exponente durante el siglo XIX y fue a mediados de este siglo cuando aparecieron los n la segunda mitad del siglo XIX tuvo lugar uno de los más importantes avances en la tecnología del aprovechamiento del viento, con la aparición del popular molino multipala americano, utilizado desde entonces para el bombeo de agua prácticamente en todo el mundo. Sus características se aprovecharían en años posteriores para el diseño de los generadores eólicos actuales. FT_06830101 Curso 22/23 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 Recurso eólico y meteorología COD: 06830101 Juan Antonio Terrones Ranz Página 2 de 35 CFGS Técnico en Energías Renovables A principio del siglo XX aparecieron los primeros aerogeneradores propiamente dichos. Esto es, dispositivos que empleaban la energía cinética del aire para generar una energía mecánica rotatoria que impulsara un alternador o una dinamo generando electricidad. El desarrollo pionero de la energía eólica en Europa tuvo lugar en Dinamarca, donde cobró gran relevancia durante el primer cuarto del siglo XX, de forma que en 1908 había 72 generadores eólicos, con potencias comprendidas entre 5 kW y 25 kW. Durante la segunda guerra mundial se continuó empleando esta tecnología con fines bélicos (Sistemas e carga para baterías de los U-Boats alemanes o puntos de electrificación básica de campaña). Fue durante estos años y más específicamente en la década de los 40 cuando Palmer Cosslett Putnam, desarrollo la primera turbina de potencia superior a 1 MW. Es todo un hito si lo comparamos con las potencias actuales ya que hasta 2002 la mayoría de las turbinas comercializadas eran de potencias inferiores al megavatio. En los años 80 se impulsa este tipo de tecnología, especialmente en el país pionero de la generación eólica, Dinamarca. Como veremos posteriormente, Dinamarca es un referente del desarrollo de la energía eólica moderna desarrollando los modelos tecnológicos que a día de hoy se siguen aplicando e la mayoría de las turbinas. FT_06830101 Curso 22/23 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 Recurso eólico y meteorología COD: 06830101 Juan Antonio Terrones Ranz Página 3 de 35 CFGS Técnico en Energías Renovables A partir de los años 90, la energía eólica sufre un “boom” y comienza a implementarse como un sistema renovable y fiable que puede inyectar energía a la red de forma rentable. De esta forma se comienzan a instalar parques eólicos por todo el mundo y especialmente en España donde aparecieron algunas de las primeras empresas no danesas en desarrollar turbinas entre las que destacan, Ecotecnia, MADE, Gamesa y Acciona haciendo frente a las gigantes danesas Vestas A/S y Neg-Micon (Antes NordTank). En el siglo XXI el desarrollo continúa creciendo y el número de turbinas instaladas en todo el mundo aumenta exponencialmente como refleja el siguiente gráfico. FT_06830101 Curso 22/23 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 Recurso eólico y meteorología COD: 06830101 Juan Antonio Terrones Ranz Página 4 de 35 CFGS Técnico en Energías Renovables 2. El viento, meteorología y energía eólica. Podemos definir el viento como el movimiento de grandes masas de gas, en nuestro caso aire, de un punto con mayor presión a otro punto de la tierra. Ahora bien, ¿Qué está produciendo esa diferencia de presión que permita este desplazamiento? Para conocer la respuesta debemos atender a la tierra como un sistema termodinámico con variaciones de presión, temperatura y cambios de fase, donde la influencia del sol tiene un papel indispensable en todos estos procesos que se producen en la atmósfera, ahora bien, ¿Qué es la atmósfera? 2.1. La atmósfera Se puede definir la atmósfera como “la capa gaseosa que envuelve la Tierra”. Su espesor es pequeño (1000km) apenas un 15.7% del diámetro de la tierra. El 99% de la masa atmosférica se concentra en los primeros 30 km de altura (un 0,5% del radio terrestre). La densidad de la atmosfera se va reduciendo cuanto más nos alejamos de la superficie de la tierra. De esta forma se han establecido ciertas “capas” que vienen definidas por su composición y que se pueden delimitar para diferenciarlas según el siguiente gráfico. FT_06830101 Curso 22/23 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 Recurso eólico y meteorología COD: 06830101 Juan Antonio Terrones Ranz Página 5 de 35 CFGS Técnico en Energías Renovables Donde podemos definir Troposfera: es la zona inferior de la atmósfera, donde se desarrollan los fenómenos meteorológicos. Contiene aproximadamente el 80% de la masa atmosférica. La temperatura disminuye con la altura según un gradiente medio de 6,5ºC/km. Sin embargo, el perfil de temperatura es muy variable en función del tiempo y del lugar. La parte superior de esta región se denomina tropopausa y separa la troposfera de la estratosfera. Su altura es variable (de 6 a 8 km en los polos y de 16 a 18 km en el ecuador). Es la capa que a nosotros como técnicos de energía eólica pretendemos estudiar. Estratosfera: la temperatura aumenta con la altura (inversión térmica) lo que ocasiona una gran estabilidad pues los movimientos verticales se ven frenados por esta inversión de temperatura. Los principales intercambios energéticos son de tipo radiativo y en esta capa se produce la absorción de la radiación ultravioleta por el ozono (a una altura de 8 a 30 km). El límite superior de la estratosfera se denomina estratopausa y está a unos 50 km de altura. FT_06830101 Curso 22/23 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 Recurso eólico y meteorología COD: 06830101 Juan Antonio Terrones Ranz Página 6 de 35 CFGS Técnico en Energías Renovables Mesosfera: en esta capa vuelve a disminuir la temperatura con la altura hasta unos 80 a 90 km, donde la temperatura alcanza sus valores menores (alrededor de - 90ºC) en la región conocida como mesopausa. Como ya hemos dicho está formada por distintos gases siendo el aire una mezcla de ciertos gases que además contiene partículas sólidas y líquidas (aerosoles) en suspensión en cantidad y composición variable. Si queremos caracterizar a la composición del aire podemos definir: Los gases que forman la atmósfera se clasifican en: Gases permanentes: su proporción se mantiene prácticamente constante. Son el nitrógeno, oxígeno, gases nobles e hidrógeno. Gases en proporciones variables: dióxido de carbono, vapor de agua y ozono. De aquí por tanto podemos establecer que el aire contiene cierta humedad o partículas de agua en suspensión que como veremos en siguientes puntos tendrá su influencia directa en el rendimiento de las máquinas. FT_06830101 Curso 22/23 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 Recurso eólico y meteorología COD: 06830101 Juan Antonio Terrones Ranz Página 7 de 35 CFGS Técnico en Energías Renovables Un parámetro importante que establecerá el buen rendimiento de las máquinas será la densidad del aire. Para conocer la densidad de aire podemos considerar la ecuación de los gases ideales: En donde, ρ: densidad (kg/m3); p: presión absoluta (Pa); T: temperatura (K); R’: constante del gas, en nuestro caso consideramos 287,04 J/kg K. 2.1.1. El origen del viento: El papel del sol en la atmósfera. Como hemos visto anteriormente, podemos establecer a través de la ecuación de los gases ideales la densidad del aire y que está por tanto es dependiente de la presión como de la temperatura. Entonces, si consideramos la tierra como un sistema termodinámico cerrado, sometido a un calentamiento desigual. D esta forma podemos considerar un embolo con una pared interna que lo divide en dos que resulta ser móvil. Ambos lados del embolo contienen mismo gas y parten de las mimas condiciones de presión y temperatura, por tanto, consideramos que están en equilibrio.: Ahora bien, maginemos que comenzamos a calentar el gas contenido en A. Al aportar calor, su temperatura empezará a aumentar, y por tanto, de acuerdo a la ecuación de gases ideales su presión aumentará. Ahora las presiones no son iguales, si no que la presión del tanque A será mayor que al del tanque B por tanto el embolo será empujado por la fuerza que ejerce el gas del tanque A: FT_06830101 Curso 22/23 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 Recurso eólico y meteorología COD: 06830101 Juan Antonio Terrones Ranz Página 8 de 35 CFGS Técnico en Energías Renovables Si aplicamos esto mismo a la tierra, siendo el sol el elemento encargado de calentarla, podemos pensar que todo el conjunto de la tierra se calentaría por igual, pero esto no es así. Por un lado, tendremos un lado de sombra que evidentemente se enfriará y por otro lado la radiación el sol no penetra de forma uniforme en todos los puntos de la superficie terrestre, ya sea por el ángulo de incidencia de los rayos solares, cierta reflexión por la composición de la atmosfera, nubes, montañas, bosques masas de agua…. De aquí extraemos por tanto que el calentamiento no es uniforme produciendo zonas con más temperatura y otra con menos, lo que a su vez produce variaciones de presión, que finalmente implican la transferencia en forma de energía cinética de grandes masas de aire de zonas de mayor presión a zonas de menos presión para conseguir el equilibrio térmico. Por lo tanto, podemos considerar que no existe un único viento si no que todo lo contrario en cada zona se producirán corrientes de acuerdo a los procesos termodinámicos terrestres. FT_06830101 Curso 22/23 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 Recurso eólico y meteorología COD: 06830101 Juan Antonio Terrones Ranz Página 9 de 35 CFGS Técnico en Energías Renovables Por otro lado, como la posición y la órbita de la tierra varían, implican que los vientos predominantes varíen y de esta forma podemos encontrar en invierno los siguientes vientos: Y en verano los vientos predominantes tendrán más importancia los vientos de componente sur: FT_06830101 Curso 22/23 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 Recurso eólico y meteorología COD: 06830101 Juan Antonio Terrones Ranz Página 10 de 35 CFGS Técnico en Energías Renovables 2.1.2. Tipos de vientos Ya hemos visto que el calentamiento de la tierra no es uniforme y que ciertas zonas se calientan antes que otras, o reciben más radiación. Como resultado, encontraremos ciertos vientos que se pueden observar usualmente y son conocidos. Estos son las conocidas como brisas terrestres y brisas marinas. Durante el día la tierra se calienta más rápidamente que el mar. Se crea una corriente de aire ascendente, originándose una depresión que provoca la circulación del aire de mar a tierra (brisa marina). Durante la noche, el fenómeno se invierte y el viento sopla de tierra a mar (brisa terrestre). Durante el anochecer y el amanecer acostumbran a aparecer períodos de calma. Este fenómeno se observa en las proximidades de las costas, alcanzando el aire un recorrido máximo hacia el interior de alrededor de unos 20 km, aunque sus efectos pueden en algunos casos hacerse notar hasta unos 50 km de la línea de costa. La velocidad del viento no acostumbra a sobrepasar unos 20 km/h (5,5 m/s), aunque las condiciones orográficas locales pueden aumentar o disminuir los valores de esta velocidad. En general, las brisas de tierra son más débiles que las de mar A continuación, se muestra un ejemplo de e brisa marina (A) y de brisa nocturna terrestre (B) FT_06830101 Curso 22/23 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 Recurso eólico y meteorología COD: 06830101 Juan Antonio Terrones Ranz Página 11 de 35 CFGS Técnico en Energías Renovables Por otro lado podemos encontrar los Brisas de valle y de montaña (vientos anabáticos y catabáticos) En una montaña, al anochecer, el aire en contacto con el terreno más elevado se enfría más rápidamente que el aire situado sobre el valle, por lo que tiende a descender hacia el valle siguiendo la ladera. Es el denominado viento catabático, generalmente de carácter suave. Durante el día, y por efecto de la radiación solar, el proceso se invierte y es el viento en contacto con el terreno situado en la proximidad de los valles, el que tiende a ascender por la ladera (viento anabático). Este tipo de vientos también se conoce con el nombre de vientos cañón o brisas de montaña. En la figura 2.16 se muestra el mecanismo de formación de este tipo de viento. En función e su dirección la humanidad ha ido nombrando y dando entidad a distintos vientos que son localmente predominantes, podemos destacar: - Mistral, viento del Norte o Noroeste. Sopla a lo largo del valle del Ródano hasta el Mediterráneo, sobre todo en primavera y otoño. - Tramontana, viento frio y seco del Norte o Noroeste en el golfo de León. - Cierzo, Mestral o Terral que sopla del Noroeste a lo largo del valle del Ebro. FT_06830101 Curso 22/23 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 Recurso eólico y meteorología COD: 06830101 Juan Antonio Terrones Ranz Página 12 de 35 CFGS Técnico en Energías Renovables - Sirocco, viento cálido y seco procedente del norte de Africa, que sopla desde el Sur o Sureste y que alcanza la costa sur europea como un viento cálido y húmedo. - Simun, viento cálido y seco que sopla en los desiertos de África y Arabia, generalmente en primavera y verano. - En América del Norte, el Northers y el Chinook que proceden del océano Pacifico. - En el Sureste asiático, los Monzones, son una forma a gran escala de brisa terrestre o marina, debido a la diferencia de temperaturas que se establece entre el continente asiático y el océano, según la estación. FT_06830101 Curso 22/23 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 Recurso eólico y meteorología COD: 06830101 Juan Antonio Terrones Ranz Página 13 de 35 CFGS Técnico en Energías Renovables 3. Variación del perfil vertical de velocidades del viento e influencia del terreno. Debido al rozamiento, cerca de la superficie del suelo, el viento real disminuye su velocidad y varía su dirección de forma que esta corta las isobaras dirigiéndose hacia las zonas de baja presión. Este efecto de la fricción del terreno no solo depende del relieve sino también del tipo de tiempo. Para vientos moderados y cielo nuboso, la velocidad del aire aumenta desde un valor nulo en contacto con el suelo hasta su valor geostrófico a una altura de unos 500 a 1.000 m, girando con la altura en sentido de las agujas del reloj. En verano, durante el mediodía cuando la radiación solar es mayor, el efecto de fricción del suelo se hace sentir hasta una altura mayor (1.000 – 2.000 m), intensificado por la convección que hace ascender del aire desde el suelo. Por la noche, y en especial si es despejada, el viento en la parte más baja de la atmósfera es casi nulo y solo se acelera por el efecto gravitacional que fluye hacia los valles formando los vientos catabáticos. En término medio, los efectos del rozamiento del viento con la superficie terrestre se manifiestan hasta una altura media de unos 1.000 m. Esta capa se conoce como capa límite. Fuera de la misma, en la atmósfera libre, los efectos son despreciables y la aproximación de viento geostrófico y de gradiente es admisible. Dentro de la capa límite, se distingue entre la parte más próxima al suelo denominada capa superficial, hasta unos 100 m de altura, donde la orografía, su rugosidad y los obstáculos afectan de forma importante a las variaciones de intensidad y dirección y la capa inmediatamente superior (100 – 2.000 m) denominada capa de Elkman, donde los cambios se manifiestan de forma progresiva y más suave. FT_06830101 Curso 22/23 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 Recurso eólico y meteorología COD: 06830101 Juan Antonio Terrones Ranz Página 14 de 35 CFGS Técnico en Energías Renovables Por tanto, para nuestro cometido, generar electricidad mediante turbinas eólicas, debemos tener en cuenta las siguientes consideraciones: 1. A mayor altura mayor velocidad de viento y por tanto mayor potencia. Por tanto, no interesa elevar lo más que sea posible la altura de los aerogeneradores. 2. Si bien al aumentar la altura aumentamos la potencia también aumentamos los costos del aerogenerador, dado que las vibraciones y los esfuerzos mecánicos, así como los tamaños y dimensionamiento de cada una de las partes debe incrementarse y diseñarse apropiadamente. En conclusión, no podemos simplemente tender a construir aerogeneradores cada vez más grandes, si no que debemos estudiar la variación del viento con la altura y considerar como nos afecta. Desde aquí, podemos lanzar la siguiente ecuación que nos ayuda a calcular la variación del viento con la altura: 𝑍 𝛼 𝑉 = 𝑉𝑍𝑟 ( ) 𝑍𝑟 Donde Zr es la altura de referencia, se considera 10 m, y VZr será la velocidad de viento a la altura de referencia, Z y V serán a altura a la que queremos calcular V, que es la velocidad a la a esa altura. Por último, vemos que el cociente de las alturas esta elevado a n exponente Alpha. Este exponente depende de la siguiente de la rugosidad del terreno, la temperatura, la estación del año o si es de día o de noche. Para facilitar su cálculo existen dos opciones o hallarla mediante expresiones algebraicas o emplear tablas de estimación. En cuanto a la expresión, en nuestro caso, aunque sabemos que la temperatura tiene una alta influencia en la rugosidad, emplearemos esta ecuación simplificada. 1 𝛼= 15,25 𝑙𝑛 ( ) 𝑍0 FT_06830101 Curso 22/23 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 Recurso eólico y meteorología COD: 06830101 Juan Antonio Terrones Ranz Página 15 de 35 CFGS Técnico en Energías Renovables Además, sabemos que para distintos terrenos encontramos distintas categorías o clases qe podemos clasificar en función de su afección. Podemos consultar las Z0 y Alpha en función de distintas tablas En función de la clase podríamos definir: FT_06830101 Curso 22/23 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 Recurso eólico y meteorología COD: 06830101 Juan Antonio Terrones Ranz Página 16 de 35 CFGS Técnico en Energías Renovables Por último, podemos presentar las propuestas de Justus: FT_06830101 Curso 22/23 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 Recurso eólico y meteorología COD: 06830101 Juan Antonio Terrones Ranz Página 17 de 35 CFGS Técnico en Energías Renovables 3.1.1. Influencia del relieve del terreno El relieve del terreno influye sobre la velocidad del viento. Las elevaciones del terreno, como montañas, colinas, etc., pueden aumentar la velocidad si el perfil es de pendiente suave o pueden disminuirla si se trata de fuertes pendientes, crestas o bordes agudos. Una colina suave, con pendiente sin vegetación alta u obstáculos y cima redondeada es un buen lugar para la instalación de aerogeneradores, que aprovechen el efecto acelerador del relieve. Si la colina está próxima al mar, se recomiendan lugares situados a una distancia de la orilla entre 0,25 y 2,5 veces la altura de la colina. Por el contrario, una fuerte pendiente (acantilados, escarpados, etc.) es un lugar poco adecuado por la formación de turbulencias, que no solo reducen la energía que puede extraer el aerogenerador, sino que producen esfuerzos mecánicos de fatiga sobre la máquina. Pendientes superiores al 50% pueden crear turbulencias importantes. Estudios aerodinámicos de terrenos han puesto de manifiesto que: Las colinas de forma triangular o sinusoidal, con pendientes suaves son las que presentan un efecto acelerador mayor. El aumento de velocidad en la cima puede alcanzar entre un 40 y un 80%. En la cima de una colina, el perfil de la velocidad con la altura tiende a atenuarse con la altura, según se muestra en las figuras FT_06830101 Curso 22/23 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 Recurso eólico y meteorología COD: 06830101 Juan Antonio Terrones Ranz Página 18 de 35 CFGS Técnico en Energías Renovables 3.1.1.1. Influencia de obstáculos Los obstáculos, como edificios, arbolado o accidentes del terreno provocan dos efectos desfavorables: una disminución de la velocidad del viento y un aumento de las turbulencias. Cuando se proyecta la instalación de parques eólicos se debe evitar la presencia de obstáculos importantes en el radio de un kilómetro y fundamentalmente en la dirección dominante del viento. En la figura 4.14, se muestra el efecto de un obstáculo de forma no aerodinámica sobre el flujo de viento y en donde se observa la gran turbulencia que se forma a sotavento del mismo. FT_06830101 Curso 22/23 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 Recurso eólico y meteorología COD: 06830101 Juan Antonio Terrones Ranz Página 19 de 35 CFGS Técnico en Energías Renovables En el siguiente gráfico se puede ver la evolución del viento sobre una superficie plana y su evolución cuando encentra un obstáculo. La zona de turbulencia puede alcanzar hasta una altura del orden de unas 2 a 3 veces la del obstáculo. Estas turbulencias son más acusadas en la parte posterior del obstáculo (sotavento) que en la parte anterior (barlovento). Mientras que a sotavento pueden alcanzar una distancia aguas abajo del obstáculo de 10 a 20 veces la altura del mismo, a barlovento se limitan a unas dos veces dicha altura. FT_06830101 Curso 22/23 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 Recurso eólico y meteorología COD: 06830101 Juan Antonio Terrones Ranz Página 20 de 35 CFGS Técnico en Energías Renovables Para conocer cómo podría afectar el interponer un obstáculo sobre la potencia y la velocidad del viento en función de distintas características de los obstáculos podemos emplear la tabla propuesta por Meroney. Donde w será la anchura perpendicular al viento del obstáculo y h será la altura del mismo. 3.1.1.2. Turbulencias afección e intensidad. Como hemos visto, los obstáculos y la rugosidad del terreno “rompe” el flujo estacionario del viento generando lo que se conoce como flujo turbulento, es decir turbulencias que hace el viento imprevisible. Resumiendo, las turbulencias generadas por obstáculos o por el terreno afectarán a nuestras turbinas de la siguiente forma. Reducen el aprovechamiento del viento Someten a las partes mecánicas a esfuerzos y movimientos que podrían poner en riesgo nuestras turbinas. FT_06830101 Curso 22/23 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 Recurso eólico y meteorología COD: 06830101 Juan Antonio Terrones Ranz Página 21 de 35 CFGS Técnico en Energías Renovables Las propias turbinas, al girar generan turbulencias (streams) que se deben tener en cuenta a la hora de plantear la distribución de las máquinas en el terreno. FT_06830101 Curso 22/23 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 Recurso eólico y meteorología COD: 06830101 Juan Antonio Terrones Ranz Página 22 de 35 CFGS Técnico en Energías Renovables FT_06830101 Curso 22/23 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 Recurso eólico y meteorología COD: 06830101 Juan Antonio Terrones Ranz Página 23 de 35 CFGS Técnico en Energías Renovables ¿Cómo podemos establecer que intensidad tendrán estas turbulencias en función del terreno y del parámetro Alpha? A través de la siguiente expresión. 𝛼 𝐼𝑥 = 𝑍 1 − 𝛼 · 𝑙𝑛 ( ) 15,25 Ahora bien, como se ha comentado, en un parque eólico, algunas máquinas estarán sometida la turbulencia de la turbina que tienen delante y esta intensidad que llamaremos añadida (subíndice ad) de esta turbina la podemos calcular como: 𝐷 𝐼𝑎𝑑 = 1.1 · 𝐶𝑇 0.5 · ( ) 𝑋𝑆 Donde Ct es el coeficiente de empuje y vendrá dado por la curva de empuje del aerogenerador que hayamos seleccionado. D será el diámetro del aerogenerador en metros y Xs la distancia entre aerogeneradores. La intensidad total resultara como: 𝐼𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = √𝐼𝑥 + 𝐼𝑎𝑑 Este parámetro nos permite conocer que intensidad de va a tener que soportar nuestros aerogeneradores y conocer si es válido colocar uno u otro modelo. 3.2. Potencia eólica disponible. La potencia eólica disponible es proporcional a la densidad del aire, al área expuesta perpendicularmente al flujo de viento y al cubo de su velocidad. La potencia eólica disponible es la máxima potencia que se podría obtener del viento si se pudiera extraer del mismo toda su energía cinética. En otras asignaturas veréis que limitaciones de distinto tipo (límite de Betz, pérdidas aerodinámicas y mecánicas, rendimiento del generador eléctrico, FT_06830101 Curso 22/23 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 Recurso eólico y meteorología COD: 06830101 Juan Antonio Terrones Ranz Página 24 de 35 CFGS Técnico en Energías Renovables etc.) solo permiten en la práctica aprovechar como máximo alrededor de un 45% al 50% de la potencia eólica disponible. Para poder definir que potencia podemos extraer del viento podemos definir la siguiente expresión: ρ Es la densidad del aire, se suele considerar 1,225 kg/m3 en condiciones ideales a 15ºC, pero cuidado, esta varia con la altitud la temperatura la altura e incluso con la humedad así que es mejor recalcularla para nuestras necesidades o emplear tablas que al estimen. A representa el área de barrido de las palas. V representa la velocidad media del viento para el emplazamiento que queremos estudiar en metro por segundo. El resultado se expresa en W/m2 FT_06830101 Curso 22/23 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 Recurso eólico y meteorología COD: 06830101 Juan Antonio Terrones Ranz Página 25 de 35 CFGS Técnico en Energías Renovables 4. Estimación del recurso eólico: Curvas de distribución y rosas de viento. Estamos ante posiblemente el paso más importante para la construcción de un parque eólico, conocer las características de viento a lo lardo del tiempo en una localización determinada será la base para que una explotación sea rentable y eficiente o un total fracaso Por eso es necesario realizar y saber interpretar correctamente los datos antes de determinar si realmente un determinado espacio de e terreno es válido para albergar un parque eólico. Los principales datos que se pretenden recoger con este tipo de medidas son: 1. Análisis estadístico del viento, tanto en velocidad como en dirección. 2. Distribución temporal de la velocidad y de la dirección del viento. O lo que es lo mismo dirección delo vientos predominantes a lo largo del año 3. Condiciones meteorológicas: temperatura, presión, humedad relativa, climatología local, altitud del parque…. No es lo mismo emplazar un parque eólico en un valle a 200 msnm que a 1500 msnm, que en un desierto o en el mar báltico. 4. Condiciones de turbulencia. Relación con la velocidad y la dirección. 5. Factores de ráfaga: Muy importante ya que las estadísticas pueden presentar un viento bien distribuido y constante, pero con rachas de viento muy fuertes que podrían poner en peligro a integridad de las máquinas o suponer la constante parada de estas. 4.1. Toma de medidas de las magnitudes del viento. Principalmente antes de la realización de cualquier tipo de obra se suele emplazar una torre meteorológica durante al menos un año para conocer las características eólicas de la zona. Los datos que se recojan se tratarán posteriormente para estimar el tipo de vento y su “calidad” para continuar con un proyecto. FT_06830101 Curso 22/23 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 Recurso eólico y meteorología COD: 06830101 Juan Antonio Terrones Ranz Página 26 de 35 CFGS Técnico en Energías Renovables Estas estaciones meteorológicas esta compuestas por un anemómetro, una veleta y en algunas ocasiones por un higrómetro que permite conocer la cantidad de humedad que presenta el aire, dado que a más humedad menos densidad y como veremos posteriormente, esto puede significar menos potencia. Principalmente se suelen emplear anemómetro de cazoleta, es una tecnología mas qe probada y no suelen dar problemas más allá de problemas mecánicos por suciedad en el rodamiento, adhesión de partículas en las cazoletas o otros daños derivados de la exposición a la intemperie. Actualmente aparecen los anemómetros de efecto Doppler o ultrasonidos que permiten conocer por medio del mismo dispositivo tanto velocidad como dirección del viento. El problema de estos últimos es que en condiciones de lluvia densa no son capaces de referenciar las variaciones de viento al refractar las ondas en las gotas de agua. FT_06830101 Curso 22/23 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 Recurso eólico y meteorología COD: 06830101 Juan Antonio Terrones Ranz Página 27 de 35 CFGS Técnico en Energías Renovables Por otro lado, para conocer la dirección el viento se sele emplear una veleta NPN o PNP (por el tipo de transistores que se empelan para convertir la posición mecánica en señales eléctricas). A veces, para obtener menos variabilidad en la dirección del viento se suelen colocar dos veletas regladas con cierto desfase de forma que obtendríamos el doble de datos numéricos pudiendo analizar mejor la dirección del viento. Como veremos posteriormente, el emplazamiento de la torre de medición es importante y se debe evitar colocar obstáculos como edificios, bosques o incluso hierbas altas que puedan afectar a la medida de los datos. A continuación, se muestran unos datos mínimos de separación con respecto a obstáculos de la torre meteorológica: 4.1.1. Presentación de los datos, magnitudes e interpretación. Lo primero que debemos tener en cuenta es que el viento no es constante. Realmente si realizamos una medida con un anemómetro veremos que la velocidad cambia continuamente e incluso su dirección de forma aleatoria a lo largo del tiempo, entonces, ¿Cómo podemos establecer medidas fiables que no sirvan? La respuesta está en establecer FT_06830101 Curso 22/23 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 Recurso eólico y meteorología COD: 06830101 Juan Antonio Terrones Ranz Página 28 de 35 CFGS Técnico en Energías Renovables periodos de tiempo en los que se realizará la media, u otro tipo de estimación, de la velocidad o de la dirección del viento. En eólica, lo común es establecer periodos de diez minutos y por trato trabajaremos con medias diezminutales. Por otro lado, aunque en meteorología comúnmente se emplean los Km/h en eólica expresamos la velocidad del viento en metros por segundo (m/s). Para la dirección del viento se emplearán grados, pero lo más aceptado es emplear las direcciones de la rosa de los vientos esto es, qué, para un viento del noroeste de aproximadamente 310º se registraría como NW o NO según lo expresemos en inglés o castellano. NNW NNE WNW ENE WSW ESE SSW SSE FT_06830101 Curso 22/23 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 Recurso eólico y meteorología COD: 06830101 Juan Antonio Terrones Ranz Página 29 de 35 CFGS Técnico en Energías Renovables Hay que recordar que a la dirección del viento se establece como la posición angular hacia la que apuntaría la veleta y no al revés, es decir “de cara” al viento. A continuación, se muestra una tabla resumen y su correspondencia en grados: 4.1.1.1. Rosas de Viento: Gráficas de velocidad y dirección Este tipo de gráfico es muy empleado en la industria y se emplea tanto como para conocer si una zona es óptima para construir un parque, así como para ver la evolución del viento con los años o incluso para hacer monitorización de un parque ya construido. FT_06830101 Curso 22/23 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 Recurso eólico y meteorología COD: 06830101 Juan Antonio Terrones Ranz Página 30 de 35 CFGS Técnico en Energías Renovables Como su propio nombre indica, está basada en la rosa de los vientos y este gráfico nos especificará, durante un periodo de tiempo determinado (puede ser un año, un mes o una semana, por ejemplo) cual es la dirección del viento predominante, así como su velocidad y la frecuencia. A continuación, se muestran varios tipos de rosas de viento empleadas. FT_06830101 Curso 22/23 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 Recurso eólico y meteorología COD: 06830101 Juan Antonio Terrones Ranz Página 31 de 35 CFGS Técnico en Energías Renovables 4.1.1.2. Histograma de la distribución de la velocidad anual. Este gráfico principalmente nos aporta información sobre cómo son las tendencias anuales y como se distribuye el viento. De esta ora podemos conocer cuáles son los meses mas ventosos y que velocidad media tenemos en esos meses, si hay ciertos meses que se espera más producción o si existen meses “ventana” en los que planificar mantenimientos que afecten menos a la producción anual del parque. Para conocer los datos podríamos establecer la media velocidad de viento de cada mes de los datos extraídos del estudio de recurso eólico y expresarlo por medio de un gráfico de barras. FT_06830101 Curso 22/23 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 Recurso eólico y meteorología COD: 06830101 Juan Antonio Terrones Ranz Página 32 de 35 CFGS Técnico en Energías Renovables 4.1.1.3. Histograma de frecuencias relativas. Si bien el histograma distribuido en meses nos puede proveer de cierta información, al estar basado en medias puede no esta reflejando una información demasiado veraz. De esta forma, en energía eólica se emplea otro tipo de histograma que en vez de analizar la velocidad media de viento., analiza distintos rangos de viento (clases) y cuál es su ocurrencia. Para poder construir nuestro histograma de frecuencias relativas debemos establecer los siguientes parámetros. 1. Los intervalos de clase (Vi): Es decir, los rangos de viento que se quieren analizar. 2. La frecuencia de cada clase (ni): Serían la cuanta de veces que se repiten medidas, o cuantas horas se han medido vientos dentro del intervalo para ese rango dentro de nuestros datos. 3. La frecuencia relativa (fi): Sería el resultado de la frecuencia de clase (2) dividido del numero total de datos (Sumatorio de todas las frecuencias de clase (N)). Se calcula para cada intervalo de clase. 4. La frecuencia relativa acumulada (Fi): Sería el cálculo de cada clase de la frecuencia relativa de ese intervalo de clase más todas las frecuencias relativas de las clases anteriores, es decir para el intervalo de clase La grafica representará la frecuencia relativa para cada intervalo de clase de velocidad de viento resultando: FT_06830101 Curso 22/23 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 Recurso eólico y meteorología COD: 06830101 Juan Antonio Terrones Ranz Página 33 de 35 CFGS Técnico en Energías Renovables A continuación, se muestra una tabla que contiene las variables anteriormente mencionadas: Este tipo de gráfica es muy útil para concluir si la zona seleccionada para la construcción de un parque eólico es idónea, ya que nos muestra que velocidad de viento es más “común a lo largo del tiempo, es decir, aquellos intervalos de viento que presenten frecuencias más altas será la velocidad de viento a qué estarán más horas expuestas las turbinas, por tanto, conocer este dato nos permite tanto conocer si el recurso es idóneo, así como elegir qué tipo de turbina instalar. También, a través de este tipo de histograma se puede calcular la distribución estadística del viento de la zona, que no es otra cosa que buscar una función matemática que nos permita conocer con que “probabilidad” se producirán ciertos vientos. FT_06830101 Curso 22/23 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 Recurso eólico y meteorología COD: 06830101 Juan Antonio Terrones Ranz Página 34 de 35 CFGS Técnico en Energías Renovables 4.1.1.4. La distribución de Weibüll. El conocimiento de la ley de distribución de la velocidad del viento permite calcular su potencial energético y la energía anual que puede producir un aerogenerador. Esta ley, para un lugar y una altura sobre el nivel del suelo, expresa el comportamiento de las velocidades para un año “medio” o “tipo”, por lo que los valores para un año en particular pueden diferir de los calculados a partir de la misma. En la mayoría de los casos de interés energético, la distribución de probabilidad de la velocidad del viento sigue aproximadamente la función densidad p(v) de probabilidad de Weibull. La figura muestra una distribución real de velocidades y la ley de Weibull ajustada. Esta función p(v), de dos parámetros (k,c). Si nos fijamos la curva prácticamente sigue la forma del histograma de la distribución del viento que hemos calculado en la sección anterior. El cálculo de la probabilidad se expresa según: Donde: v: velocidad del viento (m/s). p(v): función densidad de probabilidad de Weibull. c: factor de escala (m/s), valor próximo a la velocidad media anual. k: factor de forma que caracteriza la asimetría l p(v). e es el número “e” y su valor es aproximadamente 2,71828 FT_06830101 Curso 22/23 ENA  Gestión del montaje de parques eólicos Revisión Nº: 0 Edición Nº: 1 Recurso eólico y meteorología COD: 06830101 Juan Antonio Terrones Ranz Página 35 de 35 CFGS Técnico en Energías Renovables FT_06830101 Curso 22/23 ENA