El Recurso Eólico, Selección de Emplazamientos y la Ingeniería de la Energía … · 2020. 6....
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El Recurso Eólico, Selección de Emplazamientos y la Ingeniería de la Energía Eólica 1 Consuelo Alonso Alonso (Gas Natural Fenosa Engineering)
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El Recurso Eólico,
Selección de Emplazamientos
y la Ingeniería de la Energía Eólica
1
Consuelo Alonso Alonso
(Gas Natural Fenosa Engineering)
El recurso eólico, la selección de emplazamientos y la ingeniería de la energía eólica
Índice
1. El Origen del Viento1.1 La circulación del viento a escala global1.2 Los efectos locales
2. Evaluación del Recurso Eólico2.1 Caracterización del viento2.2 Características de los Emplazamientos2 3 Medición del Recurso Eólico
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2.3 Medición del Recurso Eólico2.4 Estudio de Micrositing
3. Tecnología de Aerogeneradores3.1 La Tecnología Actual3.2 La Tecnología del Futuro
4. La Ingeniería de un Parque Eólico4.1 Ingeniería de Obra Civil4.2 Ingeniería de Instalaciones Eléctricas
El recurso eólico, la selección de emplazamientos y la ingeniería de la energía eólica
1. El Origen del Viento
El viento se genera por un desigual calentamientode la tierra que es una consecuencia de la variaciónde la radiación solar con la latitud.
Al ser la radiación solar más intensa en el ecuadorque en los polos se crea una diferencia de presiónque a su vez produce un transporte de aire desde elecuador a los polos .
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Si la Tierra no girase y no se tuvieran en cuenta losefectos de la orografía la circulación en la atmósferasería der forma que el aire caliente del Ecuadorsubiría y circularía por la parte superior de laatmósfera y caería en las zonas más frías de losPolos
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1.1 Circulación del Viento a Escala GlobalPero la Tierra gira y aparece la fuerza de Coriolis que influye en la circulación general de laatmósfera haciendo esta más compleja desviando los vientos de forma que se tienen :
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Desde el punto de vista físico, el viento seforma como consecuencia del equilibrioentre las fuerzas de presión (FP) y lasde coriolis (FC) de forma que circulaparalelamente a las isobaras.
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1.2 Los Efectos Locales Las condiciones geográficas locales sonla causa de tendencias de viento que sesuperponen a los viento globales y que semanifiestan con más intensidad cuandolos vientos globales son débiles. Existenvientos locales de origen térmico y otrosque son producidos por la orografía
I Vi t d i té i B i
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I. Vientos de origen térmico son: Brisasentre el mar y la montaña (costeras), losvientos de montaña y las brisas montañay valle.
1) Brisas entre el mar y la montañaEn las zonas costeras , durante las horasde sol se forman vientos que soplan hacíala tierra en superficie y en sentidocontrario en altura. Durante la noche elaire del mar es más cálido y la circulaciónes a la inversa.
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1.2 Los Efectos Locales 2) Vientos de ladera de montañasTras la salida del sol, las laderas secalientan y comienzan sobre ellas flujos deaire ascendente (viento anabáticos). Por lanoche el sentido del viento se invierteconvirtiéndose en un flujo ladera abajo(viento catabático).
3) Brisas de montaña y de valle
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1.2 Los Efectos Locales .II) Vientos de origen orográfico: La rugosidad del terreno así como la pendiente delterreno produce cambios de velocidad y dirección de viento.
Además, la topografía puede producir canalizaciones de vientos constantes e intensos yaque ante un obstáculo el viento prefiere bordearlo que superarlo (Valle del Ebro)
Principales Vientos locales en España
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Principales Vientos locales en España
Cierzo (Valle del Ebro)Levante (Estrecho Gibraltar y Murcia)Leberche (Murcia)Tramontana (Ampurdan en Cataluña)Xaloc (procede del Sahara)Galerna (costa Cantábrica)Abrego: Castillas, Extremadura y Andalucía
1.2 Los efectos locales
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En la proximidad con la superficie terrestre, elviento sufre rozamiento con el suelo y seestablece un nuevo equilibrio entre fuerza deCoriolis, fuerza de presión y fuerza derozamiento o fricción que hace que el vientocorte oblicuamente a las isobaras, desde lasaltas presiones hacia las bajas, dejando siempreen el hemisferio norte las altas a la derecha ylas bajas a la izquierda
2. Evaluación del Recurso Eólico 2.1 Caracterización del Viento
Velocidad: valores medios, máximos,
mínimos y su variación temporal
Dirección del viento (Rosa de los vientos)
Distribución de probabilidad velocidades
(Distribución Weibul)
Variación del viento con la altura (ley potencial)
Turbulencia y Rafagosidad
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Turbulencia y Rafagosidad
Temperatura y/o presión
2.1 Caracterización del Viento Variación del viento con la altura (Ley Potencial)
V: Velocidad (m/s) a una altura h (m)
Vo: Velocidad (m/s) a una altura ho (m)
: Factor de cortadura que depende por ejemplo
de la rugosidad del terreno (se mide)
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10Variación del viento con la altura en atmósferas estables
2.1 Caracterización del VientoTurbulenciaSe puede definir como la desviación de la velocidadinstantánea U(t) con respecto a la velocidad media (u),en intervalos cortos (0-10 minutos): U(t)-u
Su medida es a través de la intensidad de turbulenciaque se define como la desviación típica dividido entre lavelocidad media del viento:
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Rafagosidad: se mide por el factor de rafagosidad (FR)
en un intervalo de tiempo t (normalmente 1 hora) como
la relación entre la velocidad máxima instantánea
registrada en el periodo y la velocidad media.
Las turbulencias y la rafagosidades disminuyen la
posibilidad de utilizar la energía eólica porque
provocan cargas de fatiga que disminuyen la vida de
un aerogenerador
¿Cómo se busca un emplazamiento?
1) Elevada velocidad media y que tengan una buenaexposición y sin obstáculos al viento.
2) Aceptables variaciones de la velocidad3) Aceptables niveles de turbulencia y vientos extremos ya
que afectan a la vida útil del aerogenerador.
2.2 Características de los EmplazamientosEl recurso eólico, la selección de emplazamientos y la ingeniería de la energía eólica
1) Se recurre a Mapas de Viento Oficiales y/o Red de Datosde Viento de Organismos Oficiales para seleccionar zonasa priori con velocidades de viento a al altura de buje >6 m/s.
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2) Se identifican dichas zonas sobre planos topográficos, yse buscan especialmente:
• Llanuras elevadas (gran altitud)• Cimas de montaña con buena exposición• Pasos entre montañas• Largos valles descendiendo de cadenas montañosas• Emplazamientos con vegetación deformada por la acción delos vientos
3) Se comprueba al menos que dichas zonas no tieneproblemas ambientales, no están muy alejadas de la redeléctrica (<35 km), son accesibles, y no tiene un tipo deterreno que pueda hacer inviable la construcción.
2.3 Instalación Estación AnemométricaUna vez seleccionado un emplazamiento, se instala
una Estación Anemométrica para verificar la
existencia del viento. Registrará la serie temporal de
datos viento a diferentes alturas sobre el nivel del
suelo durante un periodo plurianual. Los equipos de
una estación son:
•Torre: La altura debe ser la altura del buje del aerogeneradory en su defecto se recomienda que al menos sea 2/3 de laaltura del buje.
•Anemómetros: miden la velocidad del viento. Se instalani ó t i lt l bj t d i t
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varios anemómetros a varias alturas con el objeto de registrarel perfil de variación del viento con la altura.
•Veletas: miden la dirección del viento. Igualmente se instalamás de una de cara a evitar la pérdida de datos en caso deque una de ellas se averíe.
•Termómetro y/o Barómetro: para medir latemperatura/presión y en base a ella la densidad del aire.
•Logger o instrumento que registra y almacena los datosrecogidos por los sensores.
•Otros como son: pararrayos, placa solar para alimentar deenergía el logger, soportes, cables, puesta a tierra,cimentación torre, etc.
2.4 Evaluación Recurso Eólico/Micrositing
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Una vez obtenida la serie de datos de viento, se calculala energía eléctrica que se obtendría en elemplazamiento utilizando modelos avanzados desimulación numérica que permiten realizarextrapolaciones espaciales de dichos datos de viento.
Los modelos resuelven las ecuaciones de mecánica defluidos de Navier StokesEn general se utilizan programas comerciales entre losque se destacan:
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que se destacan:
Modelos linealizados de flujo (son aplicables a configuraciones
con topografía suave, sin desprendimiento capa límite)
•Wasp, WindPRO, GH WindFarmer, WindFarm, OpenWind
Modelos que resuelven las ecuaciones completas. CFD
(son aplicables a topografía complejas con fuertes turbulencias que
hacen que haya desprendimiento de capa limite)
•FLUENT, CFX, PHOENICS, WindSim, Meteodyn WT
Nota: Los modelos lineales son más sencillos y requieren menos potencia y capacidad
de cálculo (unas pocas horas frente a una semana)
Esquema del Modelo WASP
(90 % de las simulaciones)
Resultados de la Simulación con WASP
Mapa de Curvas Isoventas de un Emplazamiento
2.4 Evaluación Recurso Eólico/Micrositing
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Producción de Energía Bruta (MWh/año) de un parque eólico
3. La Tecnología de Aerogeneradores
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Aerogenerador:
Está definida por un Aerogenerador Tripala de EjeHorizontal de Velocidad y Paso variable.
Se trata de una Tecnología Madura, Fiable y enFase Comercial
3.1 La Tecnología Actual
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Aerogenerador:Maquina que transforma la energía cinética delviento en energía mecánica en un eje queacoplado a un generador produce Electricidad (laeficiencia Cp = 40-45 % vs Limite Betz 59 %)
No se piensa en que vaya a surgir UNA RUPTURA TECNOLÓGICA.
Evolución de la tecnología actual con las siguientes tendencias
Tamaño y Potencia• Hace 20 años: 15 m diámetro y potencia de 150 kW y 40 m de altura de buje• En 2.012: 90 -115 m diámetro, potencia 3.000 kW y alturas de buje de 80-115 m.• Próximos 5-10 años: tamaños y potencias con alturas de buje y diámetro de
palas de 125 m altura y potencia unitaria de 10 MW
3. La Tecnología de AerogeneradoresEl recurso eólico, la selección de emplazamientos y la ingeniería de la energía eólica
3.1 La Tecnología del Futuro
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palas de 125 m altura y potencia unitaria de 10 MW.(Proyecto Upwind del Sexto Programa Marco de la UE)
• Tren de Potencia: Generadores convencionales conmultiplicador (Vestas, G.E, Gamesa…) vs generadoresmultipolo sin multiplicadora (Enercon..)
• Generación en media tensión (4/12 kV) vs baja tensión (690 V)
• Mejoras en componentes, rendimientos y costesNuevos materiales
3. La Tecnología de Aerogeneradores3.2 La Tecnología del Futuro
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• Nuevos materiales• + Ligeros: Rendimiento Coste
• Requerimientos más estrictos para la integración de redeléctrica
• Posibilidades de almacenamiento de energía:- Sistemas de bombeo de agua-Generación de hidrógeno para Pila de Combustible/Motor(proyecto GAS NATURAL en Parque Eólico Sotavento Galicia)- Baterías Eléctricas de Vehículos (proyecto REVE-REOLTEC-coche eléctrico como almacén energía)- Aire Comprimido
4. La Ingeniería de Un Parque Eólico
4.1 Alcance Técnico
4.1 Ingeniería Civil: Datos de Partida
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obtención de un plano del terrenoen coordenadas UTM a escala consuficiente detalle (1:2.000 para elparque eólico y 1:500 para eledificio de control y subestación)donde aparezcan las líneas de nivel(1 m para el parque eólico, 0,5 mpara el edificio de control ysubestación).
proporcionará datos del terreno:•Tipo de terreno (roca, arcilla, etc)• Espesor capa vegetal• Capacidad portante (kg/cm2)• Nivel freático (nivel capa de agua)• Análisis químico del terreno: existencia de sulfatos u otros agentes agresivos del hormigón.
Se realizan ensayos deltipo: calicatas, penetracióndinámica, sondeos, etc.
g
4.1 Ingeniería Civil: Caminos de Acceso y de interior4. La Ingeniería de Un Parque Eólico
Deben estar diseñados para hacer posible el acceso de los camiones de transporte y grúas de montajede los aerogeneradores. Es decir, hay que hacer el trazado de los mismo con anchuras, pendientesmáximas admisibles , radios de curvatura , acuerdos verticales determinados.Esta tarea a veces es muy costosa cuando se implanta en orografía compleja (montañosa).
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Se utilizan programas de diseño de trazado de carreteras tales como clip, autocad civil 3d, etc.
4.1 Ingeniería Civil: Caminos de Acceso
4. La Ingeniería de Un Parque Eólico
Las características geométricas yconstructivas de los caminosson:
5-6 metros de ancho con unasección compuesta de unasubbase granular con 0,25 m deespesor mínimo y una capasuperior de rodadura de zahorraartificial con un espesor de 0,25m En los bordes laterales por la
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m . En los bordes laterales, por laparte de desmonte se dispondráuna cuneta de drenaje sinrevestir.
La pendiente máxima de loscaminos es del 10 % y enalgunos casos excepcionalespuede alcanzar el 12-15 % si elcamino se refuerza (base dehormigón o cemento). Los radiosde curvatura son de 35-50metros.
4.1 Ingeniería Civil: Cimentación & Plataforma de Montaje4. La Ingeniería de Un Parque Eólico
El diseño de la cimentación es por simismo un proyecto independiente yaque supone una carga de trabajoimportante utilizando programas dediseño de elementos finitos.
De manera general, la cimentación deun aerogenerador de 2 MW tiene lassiguientes unidades de obra:
Adyacente a cada cimentación se construye lasplataforma de montaje que está constituida por unaexplanación compactada de 0,20 m de espesor dezahorra artificial de una superficie aprox. de 40-50x40-50m2 con una pendiente de 2 % para drenaje de lluvias.Cada tecnólogo de aerogeneradores impone suspropias necesidades de espacio.
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•Excavación: 630 m3
•Hormigón constructivo (HA 30): 340 m3
•Hormigón limpieza: 18 m3
•Relleno: 275 m3
•Acero ( B 500 S): 32.200 kg
4.1 Ingeniería Civil: Zanjas para Cables4. La Ingeniería de Un Parque Eólico
Los cables de media tensión, fibra óptica y rede de tierras se instalan enterrados en zanja y vanconectando los aerogeneradores entre si y estos con la subestación eléctrica. El tipo de zanja arealizar definida por una anchura y una profundidad depende del número de cables que llevealojadas. Los cables se tienden a diferentes profundidades separados por planchas deseñalización de cables eléctricos y de capas de arena fina de rio.
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4.1 Ingeniería Civil: Edificio Control & Subestación4. La Ingeniería de Un Parque Eólico
I. Edificio
Tendrá al menos los siguienteshabitáculos: almacén de repuestos, salade control del parque eólico, vestuarios,aseos, sala de reuniones, sala de cabinasde media tensión (o parte cubierta de lasubestación), sala control subestación,etc.
Se s elen diseñar en na única planta
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Se suelen diseñar en una única planta ycon acabados propios de la arquitecturade la zona y deben estar integrados en elmedio ambiente.
II. Subestación intemperie alta tensión
Todos los equipos eléctricos se instalaránsobre las correspondientes bases desoleras o dados de hormigón que tendrándimensiones adecuadas conforme a lasespecificaciones de los fabricantes deequipos, disponiendo de lascorrespondientes arquetas y canales decables
4.2 Ingeniería Eléctrica: Instalaciones Principales4. La Ingeniería de Un Parque Eólico
Las instalaciones eléctricas principales de unparque eólico son:
• Red de baja tensión (incorporada como unelemento más del aerogenerador)
• Centros de transformación de losaerogeneradores
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g
• Red de cables canalizados en zanja: tierra,media tensión y fibra óptica
• Subestación eléctrica MT/AT
• Línea eléctrica aérea de evacuación de laenergía
4.2 Ingeniería Eléctrica: Centros deTransformación4. La Ingeniería de Un Parque Eólico
El centro de transformación puede situarse dentro (figura A) o fuerade la torre del aerogenerador (figura B). La opción más utilizada esdentro de la torre por menor impacto visual y menos pérdidaseléctrica en BT al tener menos recorrido los cables. El centro detransformación está constituido por el transformador de bajatensión/media tensión más las cabinas/celdas de media tensión
I. Transformador baja tensión/media tensiónEs la máquina dónde se realiza la transformación de la energía amedia tensión.
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Los transformadores pueden ser de tipo seco (refrigerante aire) y de dieléctrico o refrigerante líquido (normalmente aceite). Mayoritariamente se utilizan los de tipo seco.
Dieléctrico líquido Tipo Seco
4.2 Ingeniería Eléctrica: Centros de Transformación 4. La Ingeniería de Un Parque Eólico
II. Celdas de media tensiónLas celdas de media tensión se conectan altransformador y su función es aislar o proteger ellado de media tensión del transformador y la líneade generación en el caso de que haya algúnproblema en algún equipo situado aguas abajo deltransformador.
Se diseñan para soportar la intensidad nominal yla de cortocircuito de media tensión
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la de cortocircuito de media tensión.
Las celdas típicas utilizadas son dedistribución secundaria, 24 kV y 36 kV detensión nominal y valor de intensidad decortocircuito 16 kA .
Normalmente son de aislamiento en SF6 debidoa la reducción de espacio respecto a las queson de aislamiento en aire.
Tipos de Celdas
4.2 Ingeniería Eléctrica: Cables MT, Fibra Óptica y Tierra
4. La Ingeniería de Un Parque Eólico
I. Cables de Media TensiónSe calcula la intensidad máxima que el cable deberá transportarteniendo en cuenta la potencia a transmitir y la tensión de trabajonominal. A partir de la corriente máxima admisible se hallará lasección del cable utilizando el Reglamento de Líneas de AltaTensión (ITC-006) y se verificará que es adecuada para soportarla corriente de cortocircuito y finalmente se calculará la caída detensión para comprobar que está dentro del rango permitido.
Intensidades máximas admisibles (A) en servicio permanente y
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corriente alterna para cables unipolares aislados de hasta 18/30kV directamente enterrados
Tipos de aislamiento: EPR (etileno propileno), XLPE (polietileno reticulado) y HEPR (etileno propileno de alto módulo) Mayoritariamente se utilizan cables de
Aluminio de secciones de 95 a 400 m2
4.2 Ingeniería Eléctrica: Cables Fibra Óptica y de Tierra4. La Ingeniería de Un Parque Eólico
II. Cables de Fibra Óptica
Se encargan de transmitir las señales decomunicaciones de los diferentesaerogeneradores hacía el ordenador decontrol ubicado en el edificio de control.
Pueden ser de dos tipos: monomodo (seutilizan para la transmisión de datos a largasdistancias > 2km) y multimodo (para cortasdistancias)
III. Cables de Red de Tierra
El cable de red de tierras se aloja en las zanjas y enlas excavaciones de las cimentaciones de losaerogeneradores . Se crea una red de tierras únicaque une todos los aerogeneradores con la red detierras del edificio de control.
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distancias).
El parámetro fundamentalde diseño es la elección delnúmero de fibras ópticasque es directamenteproporcional a la cantidadde información a transmitir.
El cable es de cobredesnudo de seccionestípicas 50, 95 mm2. Lasección se calcula parapoder soportar laintensidad decortocircuito.
4.2 Ingeniería Eléctrica: Subestación MT/AT4. La Ingeniería de Un Parque Eólico
En ella se eleva la energía transportada por las líneas de generación desde media tensión altatensión mediante un transformador de potencia que es el elemento principal.
La solución más extendida de diseño en alta tensión es la de tecnología de aislamiento en aire porcuestiones económicas aunque también comienzan a implantarse tecnologías hibridas (HIS) yde aislamiento en SF6 por ocupar menor espacio y menor impacto visual
Sistema de Alta Tensión de la Subestaciónubicado en intemperie (exterior) y constituido por:1 Interruptor en alta tensión
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El recurso eólico, la selección de emplazamientos y la ingeniería de la energía eólica
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Sistema de Media Tensión de laSubestación ubicado en interior edificiocontrol y constituido en este caso por 4líneas eléctricas de generación (L1..L4)que se conectan al embarrado (barras) através de interruptores (52) yseccionadores (3) . El interruptor en mediatensión (4) forma parte de este sistema.Cada conjunto interruptor-seccionador seubica dentro de una cabina o celdaeléctrica
1. Interruptor en alta tensión2. 2. transformador de potencia mt/at3. Seccionador con cuchillas de puesta a tierra
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EJEMPLO DE ESQUEMA UNIFILAR SIMPLIFICADO DE UNASUBESTACIÓN ELÉCTRICA MT/AT
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4.2 Ingeniería Eléctrica: Subestación MT/AT4. La Ingeniería de Un Parque Eólico
Subestación intemperie 132 kV con sus diferentescomponentes: llegada de cables en media tensión,transformador potencia (con autoválvulas incorporadas),transformador de intensidad, interruptor, transformador detensión y seccionador
Subestación de Media Tensión: sala de cabinas oceldas de media tensión.
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Detalle del interior de una celdade media tensión
La conexión de la subestación del parque eólico con la red eléctricacuando hay distancias importantes entre ambos es a través de una líneaeléctrica aérea en alta tensión.
Los elementos fundamentales de una línea eléctrica de alta tensión son:- Apoyos: metálicos o de hormigón- Conductores: normalmente de aluminio-acero-Aisladores-Amarres-Crucetas-Salvapájaros
4.2 Ingeniería Eléctrica: Línea Eléctrica Aérea 4. La Ingeniería de Un Parque Eólico
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32Salvapájaros
Elementos de una línea eléctrica
Línea eléctrica doble circuito (un circuitotrifásico a cada lado)
El proyecto de una línea lleva consigo el cálculo decimentaciones y el cálculo electromecánico de apoyos(incluyendo catenaria) y elección del conductor.
La elección de la sección del conductor depende de la cantidad de potencia (intensidad) quedebe transportarse.
4.2 Ingeniería Eléctrica: Línea Eléctrica Aérea 4. La Ingeniería de Un Parque Eólico
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Nota: al conductor LA 455 también se le conoce comoCóndor, el conductor LA 280 también se denominaHawk
Muchas Gracias
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