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ANÁLISIS DEL POTENCIAL DE GENERACIÓN ELÉCTRICA EN EL CORREDOR EÓLICO SUR DE LA PROVINCIA DE CÓRDOBA

Rodríguez C.R. (1) , Riso M..(2), Jeandrevin G. (3) y Leiva E.P.M.(4) (1) Departamento de Matemática, Facultad de Ciencias Exactas Físicas y Naturales, Universidad Nacional de Córdoba, Av. Vélez Sarsfield 299, CP5010, Córdoba, Argentina, ramiro246@gmail.com. (2) Dirección de Energías Alternativas y Comunicaciones, Subsecretaría de Infraestructuras y Programas, Ministerio de Obras y Servicios Públicos del Gobierno de la Provincia de Córdoba, Av. Poeta Lugones 12, 2do. PISO, CP5000, Córdoba, Argentina, mario.riso@cba.gov.ar. (3) Facultad de Ingeniería, Instituto Universitario Aeronáutico, Avenida Fuerza Aérea km 6 ½, CP5022, Córdoba, Argentina, gjeandrevin@iua.edu.ar. (4) INFIQC, Departamento de Matemática y Física, Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Nacional de Córdoba, Haya de la Torre s/n, CP5010, Córdoba Argentina, eleiva@fcq.unc.edu.ar. e-mail del autor que recibe la correspondencia: ramiro246@gmail.com

RESUMEN En el presente trabajo se exhibe el análisis de los datos de mediciones de campo, realizadas durante un período de dos años, en dos estaciones montadas para la evaluación específica del recurso eólico en el Departamento Río Cuarto de la Provincia de Córdoba. A partir de la observación de los parámetros físicos característicos vinculados con parámetros topográficos y de rugosidad, se manifiesta una correlación entre dichos sitios, definiéndose un marcado corredor eólico con factores de capacidad superiores al 35%. Se modela también la presencia de un parque eólico de 50 MW, utilizando distintas clases de turbinas eólicas, a los efectos de determinar a priori la más adecuada para la zona estudiada. Palabras Claves: Potencial eólico Córdoba, corredor de viento, parque eólico. 1. INTRODUCCIÓN El agotamiento de las fuentes fósiles de energía, el aumento del costo de explotación y la contaminación ambiental que implica su uso, impulsan el desarrollo de energías limpias, de bajo costo y renovables; que le permitan al hombre mantener el consumo per cápita, hacer llegar los recursos energéticos a un mayor número de habitantes y mitigar el alto impacto sobre el medio ambiente. En el intento de acompañar este impulso de desarrolló el proyecto “Factibilidad Técnica, Económica y Ambiental de la Producción de Hidrógeno en la Provincia de Córdoba en Base a Recursos Eólicos Evaluada a Partir de Mediciones de Campo”, seleccionado en la convocatoria 2004 PICTOR II (N° 936-5) realizada por la ex Agencia Córdoba Ciencia. En este contexto se instalaron equipamientos adecuados para realizar la valoración del recurso eólico en dos puntos del sur de la provincia de Córdoba. La estación meteorológica La Laguna, situada a 30 km de la localidad de Coronel Moldes, comenzó a realizar las mediciones el 20

de agosto de 2007. Y la estación Las Vertientes, emplazada en la localidad de Las Vertientes, el 3 de marzo del 2009. Ambas ubicadas en el departamento Río Cuarto, ver Figura 1.

Figura 1. Ubicación Estaciones Meteorológicas La Laguna y Las Vertientes [1]. Las dos estaciones toman datos de velocidad, dirección, presión y temperatura del viento a

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distintas alturas, dando la posibilidad de obtener distribuciones de velocidad, perfiles de velocidad perfiles térmicos, wind power class, entre otros. El mapa eólico presentado en la Figura 1 forma parte del Mapa Eólico de La Provincia de Córdoba, [1], que fue conducido y realizado por la Subsecretaría de Infraestructura y Programas perteneciente al M.O.S.P. (coordinador: Ricardo Ottogalli) en el marco convenido con el Ministerio de Planificación Federal Inversión Pública y Servicios entre los años 2.005 y 2.007, dirigido por el Dr. Hector Mattio, CREE. Esta subsecretaria participo en la campaña de mediciones en conjunto con las Universidades y miembros implicados en la convocatoria PICTOR (Director en la Secretaria: Ing. Guillermo Gimenez Yob). En el presente se exhibe el análisis de los datos de mediciones de campo, realizadas durante un período de dos años, en las estaciones montadas para la evaluación específica. A partir de la observación de los parámetros físicos característicos obtenidos en ambos sitios de medición, vinculados con parámetros topográficos y de rugosidad, se manifiesta una correlación en el modelado entre dichas zonas. Se modela también la presencia de un parque eólico de 60 MW en estos sitios, utilizando distintas clases de turbinas eólicas, a los efectos de determinar a priori la más adecuada para la zona analizada. 2. MEDICIONES DE CAMPO Se analizaron las mediciones de 2 años, 1 de abril de 2009 al 31 de marzo de 2011. La estadística consta de105120 registros, promedios cada 10 minutos. Los datos fueron trabajados utilizando el software Windographer 2.3.0. En la Tabla 1 se presentan los datos que caracterizan los sitios según el medioambiente, la clase de viento y el tipo de terreno.

SITIO

Las V

ertie

ntes

La L

agun

a

Temperatura Media 17.7 °C 18.0 °C Presión Media 1,026 mbar 1,013 mbar Densidad Media de Aire 1.229 kg/m³ 1.213 kg/m³ Velocidad Media a 60m 6.841 m/s - Velocidad Media a 42m 6.112 m/s 6.469 m/s Velocidad Media a 20m 4.578 m/s -

Velocidad Media a 12m - 4.728 m/s Densidad de Potencia a 50m 266 W/m² 322 W/m²

Direcciones Predominantes

15° (13,8%) 30° (12,7%)

15° (10,6%) 30° (12,4%)

Weibull K 2.46 2.40 Weibull A (m/s) 6.88 7.39 Wind Power Class 2- Marginal 3-Fair Exponente Ley de Potencia 0.369 0.261

Longitud de Rugosidad 2.17 m 0.47 m Clase de Rugosidad 4.56 3.28 Descripción Rugosidad Urban Forest Tasa de Recolección % 99.99 99.97

Tabla 1. Datos que caracterizan los sitios según mediciones de campo. En las Figuras 2 y 3 se presentan algunos resultados del análisis estadístico realizado para las mediciones en 42 m. Se observa una disminución del 5.5% en los valores de velocidad media del viento en Las Vertientes, esto puede ser producto del efecto local dado por la diferencia del terreno en ambos lugares de medición. En ambos sitios los meses de septiembre, octubre y noviembre son los más ventosos. Y con una disminución de la intensidad al medio día. 2.1 Las Vertientes

0 5 10 15 20 25 300

1

2

3

4

5

6

7

Freq

uenc

y (%

)

Probability Distibution Function

Speed LV 60 m (m/s)Actual data Best-f it Weibull distribution (k=2.33, c=7.69 m/s)

Wind Frequency Rose0°

15°

30°

45°

60°

75°

90°

105°

120°

135°

150°

165°180°

195°

210°

225°

240°

255°

270°

285°

300°

315°

330°

345°0% calm

6%

12%

18%

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0 6 12 18 240

2

4

6

8M

ean

Win

d Sp

eed

(m/s

)Mean Daily Profile

Hour of Day

2009 2010 2011Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Jan Feb Mar

3

4

5

6

7

8

9

Spee

d LV

60

m (m

/s)

Figura 2. Distribución de frecuencia, rosa de los vientos, perfil horario y perfil mensual en Las Vertientes para 42 m. 2.1 La Laguna

0 5 10 15 20 250

1

2

3

4

5

6

7

Freq

uenc

y (%

)

Probability Distibution Function

Speed 42 m A (m/s)Actual data Best-fit Weibull distribution (k=2.40, c=7.29 m/s)

Wind Frequency Rose

0° 10°20°

30°

40°

50°

60°

70°

80°

90°

100°

110°

120°

130°

140°

150°

160°170°180°190°

200°

210°

220°

230°

240°

250°

260°

270°

280°

290°

300°

310°

320°

330°

340°350° 0% calm

2.8%

5.6%

8.4%

Figura 3. Distribución de frecuencia, rosa de los vientos, perfil horario y perfil mensual en La Laguna para 42 m.

0 6 12 18 240

2

4

6

8

Mea

n W

ind

Spee

d (m

/s)

Mean Daily Profile

Hour of Day

2009 2010 2011Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Jan Feb Mar

3

4

5

6

7

8

9

Spee

d 42

m A

(m/s

)

3. MEDICIONES DE CAMPO VS SIGE Utilizando el Mapa Eólico Nacional (SIG Eólico -SIGE), ver Referencia [1] los datos característicos de ambos sitios para 42 m se presentan en la Tabla 2. En las Figuras 4 y 5 se presentan la distribución de frecuencia y rosa de los vientos para 42 m obtenidas con el SIGE [1]. Las valoraciones realizadas con el SIGE sobrestima las velocidades promedios de viento a 42 m de altura en 12.25% para Las Vertientes y 14,25 para La Laguna; subestima el parámetro k de Weibull en 12.2 % y 13.75%; y sobrestima el parámetro A de Weibull en 12.65 % y 7.04%.

SITIO

Altura de Medición: 42 m

Las V

ertie

ntes

La L

agun

a

Temperatura Media 16 °C 15.8 °C Densidad Media del Aire 1.221 kg/m³ 1.17 kg/m³

Velocidad Media 6.86 m/s 7.39 m/s Densidad de Potencia 435 W/m² 462 W/m²

Direcciones Predominantes

30° (18.3%) 150° (16.7%)

30° (20.8%) 180° (15.9%)

Weibull A (m/s) 7.75 7.91 Weibull K 2.16 2.07

Tabla 2. Datos que caracterizan los sitios según SIG Eólico [1].

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3.1 Las Vertientes

Figura 4. Distribución de frecuencia y rosa de Las Vertientes para 42 m según SIGE [1]. 3.2 La Laguna

Figura 5. Distribución de frecuencia y rosa de La Laguna para 42 m según SIGE [1].

4. CORRELACION DATOS Con el fin de comprobar la relación existente entre ambos sitios seleccionados en el estudio e identificar algún patrón se graficaron variables comparables utilizando scatter plot o gráficas de dispersión. Se relacionaron las velocidades de viento medidas a 42 m de altura, en la Figura 6 puede verse la correlación de las variables con la correspondiente línea de tendencia.

Figura 6. Grafica de dispersión entre datos de velocidad de viento a 42 m para ambas estaciones meteorológicas.

W ind Frequency Rose0°

22.5°

45°

67.5°

90°

112.5°

135°

157.5°180°

202.5°

225°

247.5°

270°

292.5°

315°

337.5°

0%

6%

12%

18%

24%

Direction LV 60 mDirection 42 mDirection LV 42 m

Figura 7. Rosa de los vientos para 60, 20 y 42 m para ambas estaciones meteorológicas. Al analizar la Figura 6 puede verse que existe una correlación positiva (directa) y media, el coeficiente de correlación de Pearson es de r = 0.674. Se debe considerar que el coeficiente de correlación puede admitirse mas pequeño por ser grande el tamaño de la muestra que se esta analizando, esto involucra el concepto de Significancia Estadística.

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Calculado el valor del coeficiente interesa determinar si tal valor obtenido muestra que las variables están relacionadas en realidad o tan solo presentan dicha relación como consecuencia del azar. Se puede afirmar que existe una relación con una probabilidad diferente de cero. Siendo el cuadrado del coeficiente de correlación muestral r2 = 0.455. En la Figura 7 se presenta la rosa de los vientos para ambos sitios, siendo el NE la dirección predominante del viento. Analizando lo expuesto hasta el momento puede decirse que existe un corredor de viento que va desde el NE al SO de iguales características. 5. MODELIZACION EN WASP Con el fin de determinar el factor de utilidad y la Producción Anual de Energía (AEP) que puede obtenerse en los sitios analizados se estudia la implementación de un parque de 50 MW. Se seleccionaron dos turbinas, IWP-83 de 2.1 MW y Vestas V-90 de 2 MW. Para concretar el objetivo planteado se realizan simulaciones con el Software WasP analizando el corredor que une la Localidad de Las Vertientes con el lugar de instalación de La Laguna. 5.1 Modelización La evaluación se hizo sobre 5 áreas de 15x15km comenzando con la zona de Las Vertientes y finalizando en La Laguna, ver Figura 8. Entre ambos lugares existe una diferencia de altura de 150 m. Para realizar el análisis es necesario determinar los siguientes puntos: - Topografía: Líneas de nivel cada 5 m, se

tomo como fuente los modelos digitales de terreno de NASA con resolución de 30 m, ver Figura 9.

- Rugosidad del Terreno: Trabajando sobre imágenes satelitales se clasificaron las áreas con distintas rugosidades, utilizando como referencia la escala presentada en los manuales del software. Esta diferenciación permite al programa distinguir entre zonas urbanas, bosques, arboledas, sembradíos y espejos de agua.

- Datos Meteorológicos: Conversión de las series de datos meteorológicos de ambas torres de medición con el fin de ser adaptados al formato que el programa Wasp requiere para realizar los cálculos. El periodo usado es

del 1 de abril del 2009 al 31 de marzo del 20011.

Figura 8. Áreas de 15 x 15 km modeladas. Diferencia de altura entre los sitios. - Generadores Eólicos y su Distribución: para la

modelización se seleccionaron dos turbinas la IWP-83 de 2.1 MW y la Vestas V-90 de 2 MW. La distribución de generadores en el parque se hizo colocando los mismos en dos filas perpendiculares a la dirección predominante de viento, ver Figura 9.

Figura 9. Imagen de líneas de Nivel, polígonos de rugosidad y distribución de aerogeneradores para el cuadro de 15x15km A1 que envuelve a Las Vertientes.

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La distancia entre las filas de aerogeneradores es de 1.5 Km (17D) y la lateral de 500 m (6D), ver Figura 9. El modelado de cada área consiste en generar sobre ella una matriz o grilla de 145 columnas x 145 filas totalizando 21.025 puntos de cálculo. Sobre cada uno de estos puntos se obtendrán los resultados esperados: matriz velocidad media anual, densidad de potencia, coeficiente de complejidad del terreno, rosa de los vientos, factor K de weibull y factor A entre otros resultados. 5.2 Comparación entre áreas Para poder corroborar la existencia de un corredor de viento se realiza la comparación en términos de producción de energía anual, densidad de potencia, distribución de frecuencia y otros valores de las cinco áreas presentadas. La metodología usada es, seleccionando un aerogenerador, realizar el cálculo con la serie de datos de la torre de medición de Las Vertientes sobre la primera área con el mástil ubicado en el centro del polígono y luego trasladar esa torre a los otros polígono hasta llegar a la Laguna, y concluir en que orden de magnitud difiere o coincide en términos de producción de energía anual, densidad de potencia, etc. Del mismo modo se realiza la misma secuencia ahora con la seria de datos de la torre de La Laguna.

Figura 10. AEP Cuadro 1 con datos de Las Vertientes. En la Figura 10 y 11 se muestra la distribución de Producción de Energía Anual para el Cuadro 1 corrido con los datos de Las Vertientes y La Laguna. Puede observarse la similaridad de ambas distribuciones. Se repite dicha situación para todos los cuadros.

Figura 11. AEP Cuadro 1 con datos de La Laguna. 5.3 Análisis de Parques Por otro lado se realizó una modelización de parque eólico de 50MW con distintas curvas de potencia para evaluar que tipo de aerogenerador se adapta mejor a la característica de los vientos de la región. En la siguiente tabla se presentan los resultados para el parque situado en el Cuadro 1 utilizando dos tipos de generadores y los datos de ambos sitios.

Net AEP Efficiency Wind farm [GWh] [%]

Factor de Utilidad %

174,216 97,35 37,90% IWP-83 2.1MW 179,761 98,06 39,10% V-90 2 MW 177,418 97,87 40,50%

Tabla 3. AEP, eficiencia y factor de utilidad para el mismo sitio con datos de ambos sitios. 6. CONCLUSIONES Se puede verificar la existencia de un corredor de viento con características homogéneas entre ambos sitios. Las matrices de AEP para cada uno de los mosaicos trabajados demuestran la homogeneidad de ambos sitios. Para ambos generadores seleccionados en las modelizaciones no se encuentra una diferencia apreciable analizando el Factor de Utilidad y la Producción Anual de Energía. 7. AGRADECIMIENTOS Este trabajo fue financiado por Secyt-UNC 2010. 8. REFERENCIAS [1] Sistema de Información Geográfico Eólico,

www.sigeolico.com.ar/.