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 SalgadoCentro de Investigación en Energía. Universidad Nacional Autónoma de México

ojs@cie.unam.mx 17 de marzo 2011

Sistemas híbridos eólicos con almacenamiento de hidrógeno.

Ya que los aerogeneradores dependen de la velocidad del viento para generarpotencia eléctrica, se les ha considerado por mucho tiempo una fuenteintermitente no despachable debido al carácter aleatorio de las condiciones delviento. Cabe precisar que no obstante lo cambios aleatorios de la velocidad delviento, los sitios o locaciones que cuentan con potencial eólico aprovechablepresentan patrones de comportamiento cíclicos.

Así para el correcto diseño de un sistema de generación eoloeléctrico esprimordial el estudio del comportamiento de la velocidad del viento durante almenos dos años, que permita crear una base de datos de viento para la proyecciónde posibles emplazamientos.

Con la idea de programar el despacho de energía eléctrica generada a partir delviento se han propuesto sistema híbridos con almacenamiento de energía en mediosfísicos (como tanques elevados) y químicos (como baterías convencionales).

Se han llevado a cabo investigaciones y desarrollos en sistemas híbridos donde elaerogenerador está acoplado a un electrolizador cuya función es generar hidrógenoa partir de la electrolisis del agua, el hidrógeno generado es almacenado yposteriormente aprovechado por una o varias celdas de combustibles que sondispositivos electroquímicos que utilizan el hidrógeno para genera energía eléctrica.

Perfil vertical de la velocidad delviento

Los vientos están mucho másinfluenciados por la superficie terrestrea altitudes de hasta 100 metros. Elviento es frenado por la rugosidad dela superficie de la tierra y por losobstáculos. La velocidad del vientovaria directamente proporcional con laaltura, esto es, a menor altitud elviento se ve más afectado por larugosidad y obstáculos del terreno yaque existe mayor fricción y se generanturbulencias. Para modelar el perfilvertical de la velocidad del vientoexisten dos métodos generales, elmétodo de perfil logarítmico y elmétodo de ley de potencia.

Perfil logarítmicoLa expresión de perfil logarítmico se utiliza para estimar la velocidad del viento auna altura deseada, tomando como base la velocidad del viento conocida a unaaltura dada. La expresión del perfil logarítmico es

donde v es la velocidad estimada del viento a la altura que se desea conocer, vref

es la velocidad del viento a la altura de referencia donde se cuenta conmediciones, h es la altura a la que se desea estimar la velocidad del viento, href esla altura de referencia, es decir, la altura a la que se realizaron mediciones y h0 esla longitud de la rugosidad del terreno. La longitud de la rugosidad del terrenorepresenta en cierta medida el grado de obstáculo que presenta éste a lacirculación del viento, algunos valores de se muestran en la tabla

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Perfil por Ley de PotenciaAl igual que el perfil logarítmico, la ley de potencia modela el perfil vertical develocidad 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 conbase 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 cuáldepende de la rugosidad del terreno. Se ha encontrado que el valor de varia enrelación al tipo de terreno por donde pasa el viento y por el efecto de variosparámetros como la elevación, la hora del día, la estación del año, ladireccionalidad de viento, entre otros (Manwell, 2002). Se han desarrolladométodos para determinar el valor de , sin embargo algunos investigadoressugieren 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.

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Correlación para el exponente de la ley de potencia como una función de lavelocidad y de la altura. Justus en 1978 [14] propuso la obtención del parámetromediante la siguiente relación empírica:

donde vref es la velocidad del viento a la altura de referencia donde se cuenta conmediciones y href es la altura de referencia. Los valores numéricos en la ecuación 21son valores empíricos determinados por Justus.

Correlación dependiente de la rugosidad de la superficie: En el trabajo deCounihan se propone el cálculo de mediante siguiente expresión empírica:

donde h0 es la longitud de la rugosidad del terreno. Cabe señalar que lacorrelación 21 depende de datos medidos de velocidad del viento a una ciertaaltura, mientras que la correlación 22 depende de la rugosidad del terreno delterreno.

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Variación de la densidad del aire con la altura

Para el cálculo de generación eoloeléctrica, se debe considerar una corrección porla variación de la densidad del aire en función de la altura. Con base en la normaIEC-61400-12 (IEC,1998) de la Comisión Electrotécnica Internacional, para aquellosaerogeneradores con control por desprendimiento de flujo (stall regulation), queson aquellos que mediante las propiedades aerodinámicas de las aspas limitan eltorque producido a altas velocidades, la corrección de la curva de potencia sedebe hacer de acuerdo con la ecuación:

donde Pc es la potencia generada como función de la densidad del aire atmosféricodel sitio, Pn es la curva de potencia del aerogenerador, rref es la densidad del airede referencia (comúnmente 1.225 kg/m3) y r es la densidad del aire de lalocalidad.

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Para aquellos aerogeneradores con control de ángulo de ataque (pitchregulation),que son aquellos que reducen el ángulo de incidencia del viento paraevitar daños al mismo cuando se presentan grandes velocidades de viento, se debeaplicar la corrección de acuerdo con la expresión:

donde Vc 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 ecuación24, se trata de una corrección aplicada a la velocidad del viento, por lo que la curvapotencia se desplaza sobre el eje horizontal.

Para el cálculo de la densidad del aire en función de la altura y la temperaturapromedio, ésta se puede calcular mediante

donde h es la altura del sitio sobre el nivel del mar y T en centígrados es latemperatura ambiente promedio del sitio

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Energía y potencia en el viento

Cuando el viento es atajado por un objeto, el viento transfiere su energía cinética, ysi dicho objeto se mueve decimos que el viento ha desempeñado un trabajo. Lacantidad 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 energíadisponible y su capacidad para realizar trabajo.

La relación entre la masa, la velocidad y la energía está dada por la ecuación de laenergía cinética. Considéreseun flujo laminar perpendicular a la sección transversal de un cilindro moviéndose auna velocidad v la energía cinética para dicho flujo está dada por:

donde m es la masa de aire en movimiento.

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Por otro lado considerando que la potencia está definida como la energía porunidad de tiempo, tenemos:

donde P es la potencia y dm/dt representa el flujo de aire a través del volumen decontrol. 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 lalongitud del volumen de control. Y como la longitud del VC dividida por unidad detiempo 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 ypor unidad de área está dada por:

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De la ecuación 31 se puede observar que el parámetro más importanteinvolucrado en la potencia contenida en el viento es la velocidad del mismo, yaque al ser una función cúbica por cada vez que se duplica la velocidad del vientose 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, esdirectamente proporcional al cubo de la velocidad del viento y por eso es el factorprincipal a tomar en cuenta para la selección del emplazamiento más adecuadopara la instalación de máquinas eólicas que consiste en buscar los lugares en losque sopla el viento con mayor velocidad y para eso es necesario medir lavelocidad del viento.

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Función de Distribución de Probabilidad de WeibullLa 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 elparámetro de forma de la distribución de Weibull.

Para determinar los parámetros k y c existe el método del análisis de la desviaciónestándar, en donde la relación de la desviación estándar con la velocidad media delviento está dada por (Rohatgi et al 1994):

donde s 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 cestá dada por:

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Función de Distribución de Probabilidad de RayleighComo caso particular de la distribución de Weibull se tiene la distribución deRayleigh que está definida por:

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Otras Funciones de Distribución de ProbabilidadAunque la distribución de Weibull y la distribución de Rayleight permiten estimar elrégimen de viento de la mayoría de los sitios, esto no siempre es así debido a queel sitio de estudio puede presentar diferentes regímenes de viento para invierno overano, o presentar distribuciones particulares debido a alteraciones geográficas.Por lo anterior es importante hacer notar que existen otras funciones dedistribución que pueden ser aplicadas en el análisis del recurso eólico de un sitiodado, entre las cuales destacan las siguientes: a) Distribución Bimodal. La funciónde distribución Bimodal se caracteriza por presentar una unión de 2 funciones dedistribución y está definida por:

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La rosa de los vientosOtra forma de reportar el recurso eólico es utilizar la rosa de los vientos. Una rosade los vientos o rosa náutica es un círculo que tiene marcados alrededor losrumbos en que se divide la circunferencia del horizonte y representa la intensidadmedia 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 direccionespreferentes del viento así como su intensidad y frecuencia.

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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 ylas limitaciones de calendarización. Exige una serie de objetivos claros para el mejorenfoque de evaluación. Su éxito final depende de la calidad de los datos medidos(ubicación, técnicas de medición, personal capacitado, equipo de calidad, ycompleto análisis de los datos).

Criterios y objetivosExisten varios etapas en la evaluación del recurso eólico. La profundidad de laevaluación dependerá de los objetivos de los programas del uso de la energía eólicay en la experiencia previa sobre el recurso eólico disponible. Estos etapas se puedenclasificar en tres puntos básicas de la evaluación del recurso eólico:

• Identificación de áreas preliminares o prospección

• Evaluación del recurso

• Micrositing

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• Identificación preliminar del área Este proceso se defiende una región relativamente grande. El recurso eólicodisponible se puede inferir basado en la información de estaciones anemométricasde aeropuertos, topografía, vegetación, y otros indicadores.

Representación de la escala basada en la formade la copa de los árboles y el grado de doblezde las ramitas, de las ramas, y del tronco. Laclase VII es daño mecánico puro.

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• Evaluación del recurso del viento del áreaEsta etapa se aplica a la medida del viento para caracterizar el recurso en un áreadonde se está considerando el desarrollo eólico. Los objetivos más comunes de estaescala son:• Determinar o verificar si existe suficiente recurso eólico dentro del área parajustificar futuras investigaciones específicas en el sitio• Comparar las mediciones de las áreas para distinguir el potencial eólico de cadaárea• Obtener datos representativos para estimar el funcionamiento y la viabilidadtécnico- económica para un emplazamiento de tecnología eólica• Referente para los sitios potenciales de la instalación de turbinas eólicas

• MicrositingLa escala más pequeña, o la tercera etapa, es la evaluación de micrositing. Suobjetivo principal es cuantificar la variabilidad del recurso eólico en una escalapequeña sobre el terreno de interés. Los datos de micrositing se utilizan paradeterminar la colocación de dos o más turbinas eólicas lo más cerca posible paramaximizar el área de tierra disponible y que su colocación ofrezca el máximodesempeño en la utilización del recurso eólico.

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Planeación para la mediciónEl campo común a todos los programas de monitoreo es la necesidad de unaplaneación de las mediciones. Su propósito es asegurarse de que todas las facetasdel programa de monitoreo del viento sean correctas y puedan proporcionar losdatos que se necesitan para establecer el tipo de tecnología utilizada en laconversión de la energía eólica. Por lo tanto, los objetivos del uso de la energíaeólica deben dictar el diseño del plan para las mediciones y debe especificar lascaracterísticas 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.

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Estrategia de monitoreo

La manera cómo se realiza la planificación de mediciones es la base para laestrategia de monitoreo. La estrategia debe incluir una gestión adecuada, personalcalificado, y recursos adecuados. Cada uno de los participantes debe entender suspropios quehaceres y responsabilidades y las de los demás, así como la línea decomando de autoridad y de responsabilidad. Cada uno debe conocer los objetivosdel programa, la planificación de la medición y el tiempo o periodo de ejecución delproyecto.

Debido a las complejidades del proyecto, el equipo debe incluir por lo menos a unapersona con experiencia en la mediciones en campo. El análisis de datos, lainterpretación y las habilidades computacionales son también habilidades que sonnecesarias. Los recursos humanos y materiales disponibles deben serconmensurados con los objetivos de programa.

Se deben considerar los mayores niveles de exactitud y cuidar que los datosmedidos estén completos y mantener respaldos de los datos crudos. Debeconsiderarse la supervisión constante como visitas rutinarias a los sitio de medicióny la revisión oportuna de los datos.

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La calidad de los datos se mide generalmente en términos de surepresentatividad, la exactitud, y la completes. Los componentes del plan demedición 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 deoperación 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 queentran inevitablemente en cada paso del plan de medición. Ningún sitio describe yrepresenta perfectamente el área entera, ningún sensor mide perfectamente, y nitodos los datos recopilados durante un período extenso reflejan perfectamentetodas las condiciones del viento que en el futuro una central eólica experimentarádurante su vida útil de 30 años. Sin embargo, si la magnitud de las incertidumbresse entiende y se controlan, las conclusiones se pueden calificar como correctas yson capaces de proporcionar información muy útil.

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Las estimaciones del recurso eólico se expresan en clases de densidad de potenciaeólica y se utilizan desde la clase 1 a la clase 7. Cada clase represa una gama dedensidad de potencia eólica o su equivalente de la velocidad media a una alturaespecífica sobre el nivel de tierra.

Los recuadros señalados como clase 4 o mayor se consideran generalmente comolos más convenientes para el usos de la mayoría de las turbinas eólicas. La áreascon clase 3 son convenientes para el desarrollo de energía eólica al usar turbinasaltas con 50 m de la altura al eje del rotor. La clase 2 es marginal y la clase 1 esinadecuada para la aplicación de la energía eólica.

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