Energías Renovables Evaluación del potencial eólico
Potencial eólico. Evaluación y descripción Factores que afectan al recurso eólico: • Efe Efectos ctos glo global bales: es: • Calen Calentamien tamiento to desigual desigual con latitud latitud • Ro Rota tació ción n tierr tierra a • Dis Distri tribuc bución ión tier tierra ra / agua • Di Difu fusi sivi vida dad d té térm rmic ica a • Ru Rugo gosi sida dad d • Tray Trayecto ectoria ria orb orbita itall • Cad Cadena enas s monta montaños ñosas as • Mi Micr croc oclim lima a local local • Top Topogr ografí afía a loca locall • Al Altu tura ra:: • Densi Densidad dad aire aire (reducción (reducción 10 % cada cada 1000 m) m) • Cap Capa a límite límite terr terrest estre re
Potencial eólico bastante previsible, pero es fundamental el correcto emplazamiento de los aerogeneradores
Potencia disponible y potencia aprovechable Potencia disponible
V
v2 1 & ⋅ Pw = m = ⋅ ρ ⋅ A ⋅ v3 2 2
A Potencia aprovechable P=
1 ⋅ ρ ⋅ A ⋅ v 3 ⋅ cp 2
Coeficiente de potencia (cp): cp = f (λ, geometría, condiciones operación, …) Velocidad específica (λ): λ = Ω·r / v • Gran sensibilidad a velocidad (v3) • Límite máximo cp (Betz) cp,max = 16/27
Descripción del potencial eólico 1 P = ·ρ·A·v 3 ·c p ( v ) 2
Gran efecto de v sobre las actuaciones del sistema Necesidad caracterización precisa •
Distintos grados detalle en descripción potencial eólico: • Descripción temporal • (TMY) • Descripción estadística • Módulo velocidad • Dirección del viento
• Precisión Resultados • Posibilidad acometer diversos análisis
r
V( t )
Densidad de probabilidad Rosa de los vientos
• Dificultad y coste obtener información
Descripción Temporal del potencial eólico
• Aspectos temporales relevantes: • Pérdidas conexión/desconexión y orientación • Distinguir producción energética por bandas horarias • Sistemas autónomos • Almacenamiento: Batería, depósito, … • Conexión a red: • Baja penetración • Capacidad ‘almacenamiento’ • No saturación • Alta penetración • Limitación en capacidad ‘almacenamiento’ • Saturación capacidad transporte en algunas líneas
Producción Energética Media • Objetivo principal análisis eólico ⇒ Evaluar producción energética Energía = Potencia·tiempo
• Recurso eólico medio: FPE Pw =
1 ⋅ ρ ⋅ A ⋅ v3 2
FPE =
Pw = v3 3
(v )
1 1 ⋅ ρ ⋅ A ⋅ v 3 = ⋅ ρ ⋅ A ⋅ ( v )3 ·FPE 2 2
FPE ∈ (1,2 – 4)
FPE
≈
2
• Producción energética media P=
1 ⋅ ρ ⋅ A ⋅ v 3 ·c p 2
Pero:
v 3 ·c p ≠ v 3 ·c p
P=
1 ⋅ ρ ⋅ A ⋅ v 3 ·c p 2
Producción no continua para V ∈ (0 , ∞ )
Coeficiente de potencia cp Geometría = constante cp,max
λopt Gran parte del flujo pasa entre las palas sin ceder su energía al rotor
λ Rotor ofrece mucha resistencia al flujo de aire, de tal forma que este se deflecta y no pasa por el plano del rotor
Curva de potencial eólico disponible P
Pw =
cp
1 ⋅ ρ ⋅ A ⋅ v3 2
cp,max
v
λopt
λ
Producción Energética Media Curva de potencia
Mecanismo maximización rendimiento
Mecanismo regulación de potencia: Protección generador Mecanismo protección estructural
P PN
Vci
Vd VN
Vco
V
Curva de potencia
HAWT: Paso Fijo
HAWT: Paso Variable
Curva de potencia
Potencia nominal
Velocidad de corte
Velocidad de inicio Velocidad nominal
Curva de potencia ECOTECNIA -E 62 Pn = 1300 kW D = 62m
Control: Stall
Potencia máxima
Potencia nominal
Velocidad de inicio Velocidad de corte Velocidad nominal
Velocidad de P máxima
Producción Energética Media Función de densidad de probabilidad e velocidad
Pw =
P=
∫
∫
∞
0
v co
v ci
1 ⋅ ρ ⋅ A ⋅ v 3 ·f ( v )·dv 2
P( v )·f ( v )·dv =
∫
v co
v ci
1 ⋅ ρ ⋅ A ⋅ v 3 ·c p ( v )·f ( v )·dv 2
f(V) Obtenida del procesamiento estadístico de medidas de velocidad
La distribución de Weibull se ajusta bien a la mayoría de las medidas experimentales
Potencial eólico • Factor de Capacidad (CF): • Necesario para la correcta interpretación de la potencia instalada • CF ∈ (0,5 – 0,2) CF =
P PN
• Horas equivalentes de funcionamiento (hef): • Necesario para la correcta interpretación de la potencia instalada hef =
Eanual PN
• Velocidad de diseño del aerogenerador: • Objetivo: Maximizar producción energética con una inversión dada P(Vd ) =
∫
Vco (Vd ) 1
Vci (Vd )
2
⋅ ρ ⋅ A ⋅ V 3 ⋅ Cp (V; Vd ) ⋅ f (V ) ⋅ dV
Pérdidas adicionales • Los primeros parques eólicos de California han producido un 60 % de lo que se esperaba • No se incluyeron otras pérdidas en evaluaciones • Las curvas P(V) de los fabricantes no eran precisas:Importancia certificación • Pérdidas energéticas adicionales en parque eólico: • Aerogeneradores desconectados • Red fuera servicio • Parque fuera servicio • Fallos aerogenerador • Mantenimiento
3 – 10 % (California: 4 % ; Europa: 2 %)
• Efectos Array 2 – 15 % (California: 10 %) • Separación turbinas y efectos estelas • Sistema orientación turbinas (incidencia no normal) • Terreno • Ensuciamiento palas • Insectos • Polvo
1 – 13 % (California 8 %)
• Cableado
1 – 3 % (California 2 %)
• Misceláneas 2 – 5 % (California 3 %) • Arranque parada, error orientación, desconexiones por ráfagas, ...
Potencial eólico. Micrositing WASP Datos de partida
Potencial eólico. Micrositing WASP Resultados
Potencial eólico. Ejemplo
Características del viento
0,14
1,20
0,12
1,00
0,10
Vm = 7,0 m/s σ = 3,0 ρ = 1,225 kg/m3
k = 2,51 c = 7,89
0,80
0,08
p(v)
0,06
p ac(v)
0,60 0,40
0,04 0,02
0,20
0,00
0,00 0
5
10
15
20
25
v (m/s)
0,50 1400
0,45
1200
Características del aerogenerador
0,40 0,35
1000 ) W k ( P
800
Pnom = 1,2 MW P (v) cp (v)
600
0,30
P aero
0,25
cp
0,20 0,15
400
0,10 200
0,05
0
0,00 0
5
10
15 v (m/s)
20
25
p c
Potencial eólico. Ejemplo vmedia d tip k c
7,00 3,00 2,51 7,89
Rango viento 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 11 11 12 12 13 13 14 14 15 15 16 16 17 17 18 18 19 19 20 20 21 21 22 22 23 23 24 24 25 Pmedia
371,8
v 0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5 11,5 12,5 13,5 14,5 15,5 16,5 17,5 18,5 19,5 20,5 21,5 22,5 23,5 24,5 kW
D dens
64 1,225
m kg/m3
p(v) 0,0056 0,0258 0,0531 0,0817 0,1064 0,1227 0,1279 0,1218 0,1064 0,0855 0,0632 0,0430 0,0269 0,0154 0,0081 0,0039 0,0017 0,0007 0,0002 0,0001 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000
p ac(v) 0,0056 0,0314 0,0845 0,1662 0,2726 0,3953 0,5231 0,6449 0,7513 0,8368 0,9000 0,9430 0,9699 0,9853 0,9934 0,9973 0,9990 0,9996 0,9999 1,0000 1,0000 1,0000 1,0000 1,0000 1,0000
cp 0,000 0,000 0,000 0,000 0,162 0,294 0,385 0,436 0,440 0,411 0,379 0,345 0,305 0,266 0,223 0,186 0,152 0,120 0,097 0,080 0,067 0,057 0,049 0,042 0,037
CF
0,3098
P disp 0 7 31 84 180 328 541 831 1.210 1.689 2.281 2.997 3.848 4.848 6.007 7.338 8.851 10.560 12.476 14.610 16.975 19.583 22.444 25.572 28.977
P Betz P aero Pdisp x p 0 0 0,00 4 0 0,17 18 0 1,64 50 0 6,90 106 29 19,10 194 96 40,21 321 208 69,20 493 363 101,21 717 532 128,73 1.001 694 144,42 1.352 864 144,19 1.776 1.032 128,85 2.281 1.173 103,42 2.873 1.288 74,72 3.560 1.337 48,64 4.348 1.364 28,55 5.245 1.344 15,10 6.258 1.266 7,20 7.393 1.214 3,09 8.658 1.172 1,19 10.059 1.138 0,41 11.605 1.120 0,13 13.300 1.096 0,04 15.154 1.077 0,01 17.172 1.062 0,00
PBetz x p 0,00 0,10 0,97 4,09 11,32 23,83 41,01 59,98 76,29 85,58 85,45 76,35 61,28 44,28 28,83 16,92 8,95 4,26 1,83 0,71 0,24 0,08 0,02 0,01 0,00
Paero x p 0,00 0,00 0,00 0,00 3,10 11,81 26,62 44,14 56,64 59,37 54,59 44,39 31,53 19,84 10,83 5,31 2,29 0,86 0,30 0,10 0,03 0,01 0,00 0,00 0,00
Potencial eólico. Ejemplo
1400
Curvas de potencia P disponible en viento P con límite de Betz P disponible en aerogenerador
1200 1000
) W k ( P
800 600
P disp P Betz P aero
400 200 0 0
5
10
15
20
25
v (m/s)
160 140
Funciones de densidad de potencia
120 100 )
P disponible en viento P con límite de Betz P disponible en aerogenerador
Pdisp x p
W
80 k ( 60
PBetz x p
P
Paero x p
40 20 0 0
5
10
15 v (m/s)
20
25
