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CAPACITACIÓN PARA LOS ESTADOS MIEMBROS DE LA CURSO CAPEV 1 2011 CURSO DE CAPACITACIÓN VIRTUAL: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE SISTEMAS HÍBRIDOS COMBINADOS (AVANCES TECNOLÓGICOS Y REGULACIÓN) Dr. Oscar Alfredo Jaramillo Salgado Centro de Investigación en Energía. Universidad Nacional Autónoma de México ojs@cie.unam.mx ojs@cie.unam.mx 17 de marzo 2011
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Sistemas híbridos eólicos con almacenamiento de hidrógeno.
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Ya que los aerogeneradores dependen de la velocidad del viento para generar potencia eléctrica, se les ha considerado por mucho tiempo una fuente intermitente no despachable debido al carácter aleatorio de las condiciones del viento. Cabe precisar que no obstante lo cambios aleatorios de la velocidad del viento, los sitios o locaciones que cuentan con potencial eólico aprovechable presentan patrones de comportamiento cíclicos. Así para el correcto diseño de un sistema de generación eoloeléctrico es primordial el estudio del comportamiento de la velocidad del viento durante al menos dos años, que permita crear una base de datos de viento para la proyección de posibles emplazamientos.
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Con la idea de programar el despacho de energía eléctrica generada a partir del viento se han propuesto sistema híbridos con almacenamiento de energía en medios físicos (como tanques elevados) y químicos (como baterías convencionales). Se han llevado a cabo investigaciones y desarrollos en sistemas híbridos donde el aerogenerador está acoplado a un electrolizador cuya función es generar hidrógeno a partir de la electrolisis del agua, el hidrógeno generado es almacenado y posteriormente aprovechado por una o varias celdas de combustibles que son dispositivos electroquímicos que utilizan el hidrógeno para genera energía eléctrica.
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Perfil vertical de la velocidad del viento Los vientos están mucho más influenciados por la superficie terrestre a altitudes de hasta 100 metros. El viento es frenado por la rugosidad de la superficie de la tierra y por los obstáculos. La velocidad del viento varia directamente proporcional con la altura, esto es, a menor altitud el viento se ve más afectado por la rugosidad y obstáculos del terreno ya que existe mayor fricción y se generan turbulencias. Para modelar el perfil vertical de la velocidad del viento existen dos métodos generales, el método de perfil logarítmico y el método de ley de potencia.
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Perfil logarítmico La expresión de perfil logarítmico se utiliza para estimar la velocidad del viento a una altura deseada, tomando como base la velocidad del viento conocida a una altura dada. La expresión del perfil logarítmico es donde v es la velocidad estimada del viento a la altura que se desea conocer, v ref es la velocidad del viento a la altura de referencia donde se cuenta con mediciones, h es la altura a la que se desea estimar la velocidad del viento, h ref es la altura de referencia, es decir, la altura a la que se realizaron mediciones y h0 es la longitud de la rugosidad del terreno. La longitud de la rugosidad del terreno representa en cierta medida el grado de obstáculo que presenta éste a la circulación del viento, algunos valores de se muestran en la tabla 15
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Perfil por Ley de Potencia Al igual que el perfil logarítmico, la ley de potencia modela el perfil vertical de velocidad del viento. Este modelo fue propuesto por Hellman en 1915 (Hellman, 1915) y se usa para estimar la velocidad del viento a una determinada altura con base en datos medidos a una altura dada, se expresa mediante: donde es el índice de la ley de potencia para la velocidad del viento, el cuál depende de la rugosidad del terreno. Se ha encontrado que el valor de varia en relación al tipo de terreno por donde pasa el viento y por el efecto de varios parámetros como la elevación, la hora del día, la estación del año, la direccionalidad de viento, entre otros (Manwell, 2002). Se han desarrollado métodos para determinar el valor de , sin embargo algunos investigadores sugieren que el cálculo de este índice debe ser simple y obtenido empíricamente, por lo que es común usar el valor de que más se ajuste a los datos disponibles. 16
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Correlación para el exponente de la ley de potencia como una función de la velocidad y de la altura. Justus en 1978 [14] propuso la obtención del parámetro mediante la siguiente relación empírica: donde v ref es la velocidad del viento a la altura de referencia donde se cuenta con mediciones y h ref es la altura de referencia. Los valores numéricos en la ecuación 21 son valores empíricos determinados por Justus. Correlación dependiente de la rugosidad de la superficie: En el trabajo de Counihan se propone el cálculo de mediante siguiente expresión empírica: donde h0 es la longitud de la rugosidad del terreno. Cabe señalar que la correlación 21 depende de datos medidos de velocidad del viento a una cierta altura, mientras que la correlación 22 depende de la rugosidad del terreno del terreno. 17
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Variación de la densidad del aire con la altura Para el cálculo de generación eoloeléctrica, se debe considerar una corrección por la variación de la densidad del aire en función de la altura. Con base en la norma IEC-61400-12 (IEC,1998) de la Comisión Electrotécnica Internacional, para aquellos aerogeneradores con control por desprendimiento de flujo (stall regulation), que son aquellos que mediante las propiedades aerodinámicas de las aspas limitan el torque producido a altas velocidades, la corrección de la curva de potencia se debe hacer de acuerdo con la ecuación: donde Pc es la potencia generada como función de la densidad del aire atmosférico del sitio, Pn es la curva de potencia del aerogenerador, ref es la densidad del aire de referencia (comúnmente 1.225 kg/m 3 ) y es la densidad del aire de la localidad. 18
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Para aquellos aerogeneradores con control de ángulo de ataque (pitch regulation),que son aquellos que reducen el ángulo de incidencia del viento para evitar daños al mismo cuando se presentan grandes velocidades de viento, se debe aplicar la corrección de acuerdo con la expresión: donde V c es la velocidad corregida y Vn es la velocidad a la densidad de referencia. Es importante indicar que la corrección que se lleva a cabo mediante la ecuación 24, se trata de una corrección aplicada a la velocidad del viento, por lo que la curva potencia se desplaza sobre el eje horizontal. Para el cálculo de la densidad del aire en función de la altura y la temperatura promedio, ésta se puede calcular mediante donde h es la altura del sitio sobre el nivel del mar y T en centígrados es la temperatura ambiente promedio del sitio 19
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Energía y potencia en el viento Cuando el viento es atajado por un objeto, el viento transfiere su energía cinética, y si dicho objeto se mueve decimos que el viento ha desempeñado un trabajo. La cantidad de energía contenida en el viento es función de su velocidad y su masa, por lo tanto cuanto mayor sea la velocidad del viento mayor será la energía disponible y su capacidad para realizar trabajo. La relación entre la masa, la velocidad y la energía está dada por la ecuación de la energía cinética. Considérese un flujo laminar perpendicular a la sección transversal de un cilindro moviéndose a una velocidad v la energía cinética para dicho flujo está dada por: donde m es la masa de aire en movimiento. 20
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Por otro lado considerando que la potencia está definida como la energía por unidad de tiempo, tenemos: donde P es la potencia y dm/dt representa el flujo de aire a través del volumen de control. Ahora bien la masa contenida en el volumen de control es: donde A es el área de la sección transversal del volumen de control y L es la longitud del volumen de control. Y como la longitud del VC dividida por unidad de tiempo es igual a la velocidad tal que el flujo de aire a través del VC está dado por: sustituyendo la relación 30 en la ecuación 27, la energía por unidad de tiempo y por unidad de área está dada por: 21
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De la ecuación 31 se puede observar que el parámetro más importante involucrado en la potencia contenida en el viento es la velocidad del mismo, ya que al ser una función cúbica por cada vez que se duplica la velocidad del viento se obtiene ocho veces más potencia, tal como se muestra en la tabla 3. Como se observa en la ecuación (31), la energía contenida en el viento, es directamente proporcional al cubo de la velocidad del viento y por eso es el factor principal a tomar en cuenta para la selección del emplazamiento más adecuado para la instalación de máquinas eólicas que consiste en buscar los lugares en los que sopla el viento con mayor velocidad y para eso es necesario medir la velocidad del viento. 22
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Función de Distribución de Probabilidad de Weibull La función de distribución de Weibull (figura 37) está definida por: donde v es la velocidad del viento, c es el parámetro de escala de weibull, y k es el parámetro de forma de la distribución de Weibull. Para determinar los parámetros k y c existe el método del análisis de la desviación estándar, en donde la relación de la desviación estándar con la velocidad media del viento está dada por (Rohatgi et al 1994): donde es la desviación estándar del conjunto de datos de velocidad del viento, _v es la velocidad media del viento y Γ es la función Gamma. La relación entre k y c está dada por: 23
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Función de Distribución de Probabilidad de Rayleigh Como caso particular de la distribución de Weibull se tiene la distribución de Rayleigh que está definida por: 24
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Otras Funciones de Distribución de Probabilidad Aunque la distribución de Weibull y la distribución de Rayleight permiten estimar el régimen de viento de la mayoría de los sitios, esto no siempre es así debido a que el sitio de estudio puede presentar diferentes regímenes de viento para invierno o verano, o presentar distribuciones particulares debido a alteraciones geográficas. Por lo anterior es importante hacer notar que existen otras funciones de distribución que pueden ser aplicadas en el análisis del recurso eólico de un sitio dado, entre las cuales destacan las siguientes: a) Distribución Bimodal. La función de distribución Bimodal se caracteriza por presentar una unión de 2 funciones de distribución y está definida por: 26
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La rosa de los vientos Otra forma de reportar el recurso eólico es utilizar la rosa de los vientos. Una rosa de los vientos o rosa náutica es un círculo que tiene marcados alrededor los rumbos en que se divide la circunferencia del horizonte y representa la intensidad media del viento en diferentes sectores en los que divide el círculo del horizonte. En la figura (40) se nuestra una rosa de los vientos donde se indican las direcciones preferentes del viento así como su intensidad y frecuencia. 29
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Principios rectores para un programa de evaluación del recurso eólico Un programa de evaluación del recurso eólico es similar a otros proyectos técnicos. Se requiere una planificación y coordinación, y se ve limitada por el presupuesto y las limitaciones de calendarización. Exige una serie de objetivos claros para el mejor enfoque de evaluación. Su éxito final depende de la calidad de los datos medidos (ubicación, técnicas de medición, personal capacitado, equipo de calidad, y completo análisis de los datos). Criterios y objetivos Existen varios etapas en la evaluación del recurso eólico. La profundidad de la evaluación dependerá de los objetivos de los programas del uso de la energía eólica y en la experiencia previa sobre el recurso eólico disponible. Estos etapas se pueden clasificar en tres puntos básicas de la evaluación del recurso eólico: Identificación de áreas preliminares o prospección Evaluación del recurso Micrositing 30
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Identificación preliminar del área Este proceso se defiende una región relativamente grande. El recurso eólico disponible se puede inferir basado en la información de estaciones anemométricas de aeropuertos, topografía, vegetación, y otros indicadores. Representación de la escala basada en la forma de la copa de los árboles y el grado de doblez de las ramitas, de las ramas, y del tronco. La clase VII es daño mecánico puro. 31
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Evaluación del recurso del viento del área Esta etapa se aplica a la medida del viento para caracterizar el recurso en un área donde se está considerando el desarrollo eólico. Los objetivos más comunes de esta escala son: Determinar o verificar si existe suficiente recurso eólico dentro del área para justificar futuras investigaciones específicas en el sitio Comparar las mediciones de las áreas para distinguir el potencial eólico de cada área Obtener datos representativos para estimar el funcionamiento y la viabilidad técnico- económica para un emplazamiento de tecnología eólica Referente para los sitios potenciales de la instalación de turbinas eólicas Micrositing La escala más pequeña, o la tercera etapa, es la evaluación de micrositing. Su objetivo principal es cuantificar la variabilidad del recurso eólico en una escala pequeña sobre el terreno de interés. Los datos de micrositing se utilizan para determinar la colocación de dos o más turbinas eólicas lo más cerca posible para maximizar el área de tierra disponible y que su colocación ofrezca el máximo desempeño en la utilización del recurso eólico. 32
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Planeación para la medición El campo común a todos los programas de monitoreo es la necesidad de una planeación de las mediciones. Su propósito es asegurarse de que todas las facetas del programa de monitoreo del viento sean correctas y puedan proporcionar los datos que se necesitan para establecer el tipo de tecnología utilizada en la conversión de la energía eólica. Por lo tanto, los objetivos del uso de la energía eólica deben dictar el diseño del plan para las mediciones y debe especificar las características siguientes: Parámetros de medición Tipo de equipo, calidad, y costo Número y localización de las estaciones de monitoreo Alturas de la medida del sensor Exactitud de la medida, duración y recuperación de los datos Intervalos del muestreo y de la grabación de los datos Formato del almacenaje de datos Manipulación de datos y su procesado Medidas del control de calidad Formato de los informes de los datos. 33
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Estrategia de monitoreo La manera cómo se realiza la planificación de mediciones es la base para la estrategia de monitoreo. La estrategia debe incluir una gestión adecuada, personal calificado, y recursos adecuados. Cada uno de los participantes debe entender sus propios quehaceres y responsabilidades y las de los demás, así como la línea de comando de autoridad y de responsabilidad. Cada uno debe conocer los objetivos del programa, la planificación de la medición y el tiempo o periodo de ejecución del proyecto. Debido a las complejidades del proyecto, el equipo debe incluir por lo menos a una persona con experiencia en la mediciones en campo. El análisis de datos, la interpretación y las habilidades computacionales son también habilidades que son necesarias. Los recursos humanos y materiales disponibles deben ser conmensurados con los objetivos de programa. Se deben considerar los mayores niveles de exactitud y cuidar que los datos medidos estén completos y mantener respaldos de los datos crudos. Debe considerarse la supervisión constante como visitas rutinarias a los sitio de medición y la revisión oportuna de los datos. 34
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La calidad de los datos se mide generalmente en términos de su representatividad, la exactitud, y la completes. Los componentes del plan de medición deben incluir el siguiente: Consecución del equipo relacionada con las especificaciones de programa Método, frecuencia, e información de la calibración del equipo Listas de comprobación de la instalación de la estación de supervisión y de operación y del mantenimiento Formas de la colección y de la recuperación de datos Pautas del análisis de datos (cálculos, etc.) Métodos de la validación de datos y formato de información Intervenciones internas para documentar la instalación, funcionamiento, operación y mantenimiento, así como la adquisición y la manipulación de datos. Otra meta de garantizar la calidad es reducir al mínimo las incertidumbres que entran inevitablemente en cada paso del plan de medición. Ningún sitio describe y representa perfectamente el área entera, ningún sensor mide perfectamente, y ni todos los datos recopilados durante un período extenso reflejan perfectamente todas las condiciones del viento que en el futuro una central eólica experimentará durante su vida útil de 30 años. Sin embargo, si la magnitud de las incertidumbres se entiende y se controlan, las conclusiones se pueden calificar como correctas y son capaces de proporcionar información muy útil. 35
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Las estimaciones del recurso eólico se expresan en clases de densidad de potencia eólica y se utilizan desde la clase 1 a la clase 7. Cada clase represa una gama de densidad de potencia eólica o su equivalente de la velocidad media a una altura específica sobre el nivel de tierra. Los recuadros señalados como clase 4 o mayor se consideran generalmente como los más convenientes para el usos de la mayoría de las turbinas eólicas. La áreas con clase 3 son convenientes para el desarrollo de energía eólica al usar turbinas altas con 50 m de la altura al eje del rotor. La clase 2 es marginal y la clase 1 es inadecuada para la aplicación de la energía eólica. 36
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