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PROYECTO FINAL DE CARRERA CURSO ACADÉMICO 2010-2011 ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA Y OTROS PARÁMETROS EN LA MEDICIÓN DE LA VELOCIDAD DEL VIENTO Autora: Inés Gomes Pérez Directora: Ana Patricia Talayero Navales Ponente: Andrés Llombart Estopiñán Departamento de Ingeniería Eléctrica Titulación: Ingeniería Industrial Centro Politécnico Superior. Universidad de Zaragoza Fecha: Marzo 2011 Estudio de la influencia de la temperatura y otros parámetros en la medición de la velocidad del viento 2 ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA Y OTROS PARÁMETROS EN LA MEDICIÓN DE LA VELOCIDAD DEL VIENTO RESUMEN Este proyecto ha sido desarrollado dentro del área de Análisis Integral de Recursos Energéticos del Centro de Investigación de Recursos y Consumos Energéticos (CIRCE) y del Departamento de Ingeniería Eléctrica. Su principal objetivo ha sido averiguar en qué magnitud afectan los instrumentos de medida de la velocidad del viento a la estimación de la producción de los aerogeneradores, debido a la relación lineal que existe entre la potencia y el cubo de la velocidad. En el análisis se destaca que los anemómetros utilizados para medir la velocidad del viento se ven afectados en condiciones específicas, sobre todo con bajas temperaturas. Esta afección se vería reflejada como una desviación y, dada la relación cúbica que existe entre la potencia generada en un aerogenerador y la velocidad del viento, este hecho puntual podría decidir las estimaciones de producción. Para comparar la incidencia que tiene esta desviación se han utilizado dos tipos de anemómetros: uno de cazoletas y otro ultrasónico. El presente proyecto se divide en varias partes. En la primera parte se repasan los conceptos generales del estudio del comportamiento del viento en un emplazamiento y, paralelamente, se estudian los datos recogidos en la instalación y se analiza el proceso de filtrado y limpieza de estos datos con los programas adecuados. En la segunda parte se realiza una comparación de los registros tomados mediante correlaciones. De esta manera se va a poder evaluar las variables que más afectan a la velocidad, pudiéndose así corregir el desvío causado para establecer unas estimaciones de su afección a los datos de la producción calculada en un estudio de recurso eólico. Por último, se evalúan los resultados obtenidos y se establecen las conclusiones apropiadas para fijar los procedimientos de actuación y tratamiento de los datos en situaciones en los que las condiciones climatológicas pudieran afectar al anemómetro de cazoletas. . Estudio de la influencia de la temperatura y otros parámetros en la medición de la velocidad del viento 3 TABLA DE CONTENIDOS Página • 1.-Introducción 4 1.1- Objeto del proyecto 4 1.2- Justificación del proyecto 5 1.3- Estructura del proyecto desarrollado 5 • 2.- Descripción de la instalación 7 2.1- Introducción a la instalación 7 2.2- Sensores utilizados y variables medidas en el estudio 8 • 3.- Metodología del análisis y resultados 11 3.1- Introducción 11 3.2- Tratamiento y limpieza de los datos 11 3.3- Estudio de la relación entre las variables 17 • 4.- Análisis de la intensidad de turbulencia 23 • 5.- Estudio de la influencia de la temperatura 26 5.1- Determinación de los tramos de temperatura a estudiar 26 5.2- Variación de las velocidades en función de la temperatura 28 5.3- Resultados de las pruebas de tendencia 37 5.4- Resultados de las desviaciones porcentuales 42 • 6.- Conclusiones y posibles estudios futuros 45 • BIBLIOGRAFÍA 47 • ANEXOS 48 A.1- Potencia generada en un aerogenerador 49 A.2- Informe de la instalación 51 A.3- Muestra de los datos registrados 58 A.4- Gráficas sobre las relaciones entre las diferentes variables 69 A.5- Intensidades de turbulencia 73 A.6- Tablas de las desviaciones porcentuales 76 A.7- Resumen de todos los datos registrados 79 A.8- Cronograma del trabajo desarrollado 90 Estudio de la influencia de la temperatura y otros parámetros en la medición de la velocidad del viento 4 1. INTRODUCCIÓN La energía procedente del viento ha sido aprovechada por el ser humano desde tiempos inmemorables (tanto para impulsar los barcos a través de las velas como para moler grano). La naturaleza nos cede este recurso energético de manera totalmente gratuita. Sin embargo, no fue hasta el siglo XX cuando comenzó a utilizarse el viento para producir electricidad, autoabasteciendo pequeñas instalaciones en un principio y llegando a cubrir el 14,3 % de la demanda total de energía eléctrica en 2009 (datos de la AEE, Asociación Empresarial Eólica). De esta manera, España se consolida como uno de los principales países del mundo en producción de energía eólica. En 2009, a pesar de la crisis económica, este tipo de energía llegó a crecer en el mundo un 31% (datos de la AEE), consolidándose así como la tercera opción en el sistema eléctrico (sólo por detrás de las centrales térmicas de gas de ciclo combinado y de las nucleares). Por ello, es de vital importancia que las estimaciones que se realizan acerca de la producción de los aerogeneradores sean lo más cercanas posible a la realidad. Teniendo en cuenta que la potencia de un aerogenerador está directamente relacionada con la velocidad del viento, los sensores encargados de medir esta variable se convierten en los de mayor importancia. Dado que la implantación de un parque eólico requiere una importante inversión inicial y dado que la estimación de la producción depende de la velocidad al cubo y del riesgo de la inversión, es esencial que las medidas de velocidad tengan la menor desviación posible. Esta desviación tiene una gran repercusión económica ya que, generalmente, en un proyecto medio de un parque eólico una simple variación de la velocidad en un 5 % podría repercutir en variaciones de la tasa interna de retorno (TIR) cercanas al 15 %. 1.1- Objeto del proyecto Actualmente, el instrumento más utilizado para medir la velocidad del viento dentro del campo de la generación eólica es el anemómetro de cazoletas. Este tipo de sensores tienen la ventaja de no tener un precio muy elevado y ser robustos pero, por el contrario, tienen una serie de desventajas que podrían afectar a las medidas: el par de fricción en el rodamiento que llevan incorporado, efectos dinámicos y las características de respuesta angular. Por ello, estos anemómetros podrían verse afectados en condiciones particulares, como las bajas temperaturas. Esta afección se reflejaría como una desviación y, dado que hay una relación cúbica entre la potencia generada en un aerogenerador y la velocidad del viento, este hecho podría ser relevante en las estimaciones de producción y en el cálculo de la intensidad de turbulencia, parámetro básico a la hora de definir un aerogenerador. El objeto de este proyecto es estudiar estas desviaciones de velocidad en base a la influencia que tiene la temperatura ambiente y otras variables en el funcionamiento de los anemómetros de cazoletas. Estudio de la influencia de la temperatura y otros parámetros en la medición de la velocidad del viento 5 Para ello, se ha dispuesto de una torre de medición instalada en el laboratorio AIRE en WALQA donde, durante un periodo de dos años, se han medido diferentes variables que se citarán más adelante. 1.2- Justificación del proyecto El presente proyecto ha sido realizado en el Centro de Investigación de Recursos y Consumos Energéticos (CIRCE) de la Universidad de Zaragoza. Surge como respuesta a la necesidad de averiguar en qué magnitud afectan los instrumentos de medida de la velocidad del viento a dos parámetros: a la estimación de la producción y al cálculo de la intensidad de turbulencia. Dado que existe una relación lineal entre la potencia generada y el cubo de la velocidad (puede consultarse el anexo A.1 para ver los parámetros que intervienen en la producción de energía de un aerogenerador) es de vital importancia la correcta medición de esta variable ya que si se comete un pequeño error en esta medida, al ir elevada al cubo, puede suponer grandes variaciones sobre la producción estimada. Este hecho está, por tanto, estrechamente relacionado con la adecuada elección del sensor ya que cuanto mayor sea el error asociado al sensor de medida, más influirá sobre la producción de energía. Por otra parte, un error en el cálculo de la intensidad de turbulencia supondría la reducción de la vida de los aerogeneradores debido a las cargas de fatiga que lleva asociadas. Para la realización de este proyecto se ha contado con un laboratorio de medición situado en el parque tecnológico WALQA que consta de una torre meteorológica. Ésta se instaló con dos finalidades: la primera es analizar la influencia que tienen los distintos sensores de medida sobre la velocidad del viento y, la segunda, es medir la curva de potencia de un aerogenerador que está situado justo a su lado. 1.3- Estructura del proyecto desarrollado Para poder observar la planificación del trabajo desarrollado durante el presente proyecto y su duración, se ha elaborado un cronograma que puede consultarse en el anexo A.8. En él puede verse detalladamente cada una de las actividades desarrolladas y su amplitud en el tiempo. El proyecto propuesto tiene una primera parte en la que se describe la instalación que ha servido para recoger los datos descargados del datalogger y se describe el proceso llevado a cabo para proceder a la limpieza y filtrado de los datos. El proceso de filtrado de datos utilizado no ha sido la eliminación de los mismos, sino el aislamiento de los valores que eran considerados incorrectos para, así, poder recuperarlos en el caso de necesitarlos. Ha sido un proceso largo y costoso ya que se ha contado con unos 80.000 datos medidos cada uno de ellos para más de nueve variables. Una vez filtrados, se establecen relaciones entre las variables tomadas para determinar cuáles de ellas afectan directamente a las medidas de la velocidad, ya que de esto dependen las desviaciones que podrían producirse sobre los estudios estimativos de producción y los comportamientos de los aerogeneradores. Estudio de la influencia de la temperatura y otros parámetros en la medición de la velocidad del viento 6 En una segunda parte, una vez determinado que la temperatura es la variable más crítica a la hora de registrar los datos, se procede a construir las correlaciones necesarias por distintos tramos de temperatura. Finalmente se establecen las conclusiones derivadas de estas gráficas, los procedimientos de actuación y el tratamiento de los datos en las situaciones en las que las condiciones climatológicas puedan afectar al anemómetro de cazoletas. Estudio de la influencia de la temperatura y otros parámetros en la medición de la velocidad del viento 7 2. DESCRIPCIÓN DE LA INSTALACIÓN 2.2- Introducción a la instalación La instalación que ha servido para recoger los datos analizados es una torre meteorológica de 30 m situada en el Parque Tecnológico Walqa, en Cuarte (Huesca). Fue instalada el 17 de marzo de 2008 en un terreno llano con césped que se encuentra a una elevación de 441 m y a su alrededor tiene diferentes edificios y otros obstáculos cercanos (se pueden consultar más detalles sobre la localización de la torre de medida en el anexo A.2). En algunas ocasiones la torre puede llegar a distorsionar el flujo que está cercano a ella, por lo que para evitar este fenómeno de distorsión, se le añaden unos brazos que se proyectan horizontalmente para que los sensores que se montan encima de ellos estén fuera de la influencia de la estructura. Ha de comprobarse que estos brazos no se inclinan ni giran ya que este hecho podría alterar las mediciones. Por otra parte, como recomienda MEASNET (Measuring Network of Wind Energy Institutes), es muy importante instalar el sensor de manera que forme un ángulo de unos 45º respecto a la dirección principal del viento (la disposición de los brazos de la torre y los sensores instalados en ellos puede consultarse en el anexo A.2). De todos los tipos de anemómetros que existen hoy en día, el más utilizado para las mediciones de la velocidad del viento en aerogeneradores es el anemómetro de cazoletas. Este tipo de sensores tienen la ventaja de no tener un precio muy elevado y ser robustos pero, por el contrario, tienen una serie de desventajas que conviene tener en cuenta. En primer lugar, se hablará del par de fricción en el rodamiento que llevan incorporado. Para que este dispositivo tenga un correcto funcionamiento, es necesario que esté lubricado; por lo tanto, cabe esperar que la temperatura ambiente afecte a los datos que el anemómetro registre. Por otra parte, esta fricción hace que haya una velocidad umbral a partir de la cual el anemómetro no toma medidas puesto que no gira. En segundo lugar han de considerarse los efectos dinámicos. Estos hacen que el anemómetro se acelere con mayor rapidez de lo que tarda en decelerarse, por lo que también puede dar lugar a fuente de errores en las medidas tomadas (efecto de sobrevelocidad). Por último, hay que tener en cuenta las características de respuesta angular. Éstas aparecen cuando en el emplazamiento el aire sopla con una cierta inclinación y no de manera horizontal. Estudio de la influencia de la temperatura y otros parámetros en la medición de la velocidad del viento 8 Todos estos errores en la medición de la velocidad afectan directamente a la estimación de la producción, debido a la relación lineal existente entre la potencia y el cubo de la velocidad. Para observar estos defectos, se han tomado a su vez medidas con un anemómetro ultrasónico. Este tipo de anemómetros tienen mayor precisión que los de cazoletas aunque también son susceptibles de errores debido a que en condiciones climatológicas adversas (ambientes lluviosos, con niebla…) suelen tener problemas para medir la velocidad del viento, perdiendo así numerosos registros. Los anemómetros sónicos tienen un coste más elevado que los de cazoletas, pero no necesitan mantenimiento mecánico ni posteriores calibraciones a la inicial. A pesar de ello, no existe todavía una confianza general en este tipo de sensores ya que su respuesta no está bien caracterizada y es altamente dependiente del diseño que se esté utilizando. 2.3- Sensores utilizados y variables medidas en el estudio En nuestro estudio se han utilizado diez sensores para medir las diferentes variables: anemómetro principal, anemómetro de apoyo, anemómetro vertical, anemómetro ultrasónico, dos veletas, un termómetro, un piranómetro, un sensor de radiación neta y un barómetro. Las variables medidas corresponden a las siguientes: temperatura, presión, dirección a dos alturas, velocidad vertical, velocidad a diferentes alturas con anemómetro sónico y de cazoletas, radiación solar y radiación neta. A continuación se van a listar los sensores utilizados, sus características técnicas y su ubicación en la torre de medida: • Anemómetro principal: Es un anemómetro de cazoletas instalado en la torre de medición, a 30 m de altura. Se le llama principal porque, como ya se ha citado anteriormente, una de las finalidades de instalar este laboratorio de medición era medir la curva de potencia de un aerogenerador que estaba situado a su lado. La marca, modelo y resto de características técnicas venía definido por la norma que rige el tipo de anemómetros a instalar en este tipo de casos. • Anemómetro de apoyo Sus características son semejantes a las del principal. Sin embargo, este anemómetro de cazoletas se encuentra instalado a 28’5 m en la torre de medida. Su principal función es corroborar las medidas tomadas por el anemómetro principal. Estudio de la influencia de la temperatura y otros parámetros en la medición de la velocidad del viento 9 • Veleta 1 Consiste en un potenciómetro de 10 kΩ situado a la misma altura que el anemómetro de apoyo, es decir, a 28’5 m. Su función es determinar la dirección del viento para la futura ubicación del aerogenerador en la zona analizada. Al decidir qué tipo de veleta se quiere implantar en la instalación, conviene destacar que la estabilidad de estos sensores aumenta con el peso. • Termómetro Está situado a 27’5 m sobre el terreno, registra la temperatura ambiente y sirve para determinar la densidad del aire del emplazamiento. Este es un dato muy relevante ya que, como se sabe, la energía del viento es directamente proporcional a la densidad del aire. Es importante colocar este sensor por lo menos a más de 10 m de altura, y evitar así la radiación emitida por el suelo. • Veleta 2 Este sensor está formado por un potenciómetro de 10 kΩ y se encuentra a 25 m de altura. Cumple la misma función que la veleta 1. • Anemómetro ultrasónico 3D Este tipo de anemómetro es más preciso que el de cazoletas y no requiere mantenimiento mecánico. Por otro lado, tiene la desventaja de que cuando las condiciones climatológicas no son las idóneas, se pueden perder registros, ya que tiene problemas para medir en este caso específico. Está situado a 25 m sobre el nivel del suelo. Con este sensor podemos medir diferentes variables, entre las que destacan: velocidad sónica, dirección ultrasónica y temperatura. Cabe mencionar que esta última variable no es una medida relevante en el estudio debido a que no está calibrada. Proporciona una medida que ayuda a corroborar que el valor de la velocidad medido es correcto. • Anemómetro vertical Es un anemómetro de hélice que se encuentra a 15 m de altura. Su función es la misma que la de los otros anemómetros, aunque en este caso la componente que se mide del viento es la vertical. Como se verá a lo largo de este proyecto, los datos proporcionados por este sensor no han sido determinantes a la hora de realizar el estudio, ya que la componente más relevante del viento a la hora de estimar la producción de energía es la horizontal, medida anteriormente por el resto de anemómetros. Estudio de la influencia de la temperatura y otros parámetros en la medición de la velocidad del viento 16 - Presión El periodo de representación escogido para ver la evolución de la presión en el emplazamiento ha sido de una semana. Como se aprecia en la gráfica 5 la presión suele ser prácticamente constante, se mantiene dentro de unos márgenes. De hecho, si se evalúa el conjunto de los datos estudiados puede decirse que todos los registros de presión se encuentran dentro del intervalo de 930 mbar a 980 mbar. Gráfica 5. Representación de los valores de presión registrados por el barómetro durante una semana. - Velocidad En la gráfica 6 se muestran los registros dados por los anemómetros principal, ultrasónico y de apoyo para un día cualquiera de medición. En ella se realiza una comparación de los valores mínimos, máximos y medios dados por estos sensores para comprobar el correcto registro de los mismos. Estudio de la influencia de la temperatura y otros parámetros en la medición de la velocidad del viento 17 Gráfica 6. Representación de los valores máximos, medios y mínimos dados por los anemómetros principal, de apoyo y ultrasónico para un día. Tanto en las medidas de los valores máximos, mínimos así como la media del periodo se observa una vez más que el sensor sónico da un mayor valor. El anemómetro de apoyo proporciona prácticamente los mismos registros que el principal si bien en algunas ocasiones sus valores son un poco menores. Por otra parte se aprecia claramente al inicio de la gráfica una serie de datos en los que los valores se sitúan por debajo de cero. Estos corresponden a datos rellenados con el valor -9999.99 ya que no habrían sido registrados correctamente en la torre de medida. 3.3 Estudio de la relación entre las velocidades Una vez filtrados los datos, se estudian las relaciones de las velocidades entre los registros del anemómetro sónico, el de apoyo y el principal. Para ello se estudia la correlación lineal que presentan los datos de cada uno de los anemómetros con los del principal. Se evalúan por tanto dos correlaciones: una que representa la velocidad principal frente a la velocidad de apoyo y, la segunda que muestra la velocidad principal frente a velocidad ultrasónica. Sabemos que estos sensores han de registrar aproximadamente las mismas medidas por lo que la correlación generada por ellos será una recta de pendiente cercana a los 45º. Las correlaciones obtenidas entre la velocidad principal y las velocidades sónica y de apoyo son las siguientes: Estudio de la influencia de la temperatura y otros parámetros en la medición de la velocidad del viento 18 Gráfica 7. Velocidad principal frente a la velocidad ultrasónica. Gráfica 8. Velocidad principal frente a la velocidad de apoyo. En ambas gráficas se verifica la relación lineal existente entre los sensores de velocidad principal, de apoyo y ultrasónica. Además, al igual que ha sucedido en el filtrado de datos mediante comparación, aquí se observa que el sensor de velocidad ultrasónica proporciona siempre un valor de velocidad más elevado que los otros dos anemómetros de cazoletas. Este hecho se observa claramente en la ecuación de las correlaciones: el término correspondiente a la ordenada en el origen de la gráfica que representa a la velocidad sónica es mayor al que representa la velocidad de apoyo. Estudio de la influencia de la temperatura y otros parámetros en la medición de la velocidad del viento 19 Ecuación Vel. Sónico – Principal: 9965 . 0 9815 . 0 9746 . 0 2 = + = R x y Ecuación Vel. Apoyo – Principal: 9994 . 0 0098 . 0 9868 . 0 2 = − = R x y Por esta razón junto a las obtenidas en las comparaciones, puede confirmarse que el anemómetro sónico posee un ligero offset respecto al principal. Además el coeficiente de determinación R 2 indica que la recta definida para la ecuación de la gráfica de la velocidad de apoyo es más fiable que la de la velocidad sónica puesto que está más cercano a la unidad. Por otra parte, en ambas gráficas se identifica la gran concentración de datos que hay hasta aproximadamente los 15 m/s de la velocidad principal. A partir de este valor, ambas rectas empiezan a hacerse más finas debido a que apenas se poseen registros en la instalación para valores elevados de velocidad del viento. En resumen, la conclusión que se obtiene del estudio de la relación existente entre las velocidades es que todas ellas tienen un comportamiento similar y también que la velocidad sónica tiene un offset. Además de esto, se observa una mayor dispersión de los datos a bajas velocidades. Comportamiento de la relación entre velocidades frente al resto de variables Para continuar el estudio se comprueba de qué manera afecta cada variable a la relación existente entre la velocidad sónica y la velocidad principal. Esta relación (que en teoría debería ser unitaria) ayudará a observar la influencia que las diferentes variables (temperatura, presión, dirección 1, dirección 2 y radiación solar) ejercen sobre ella. De esta manera se podrá determinar las variables en las que conviene centrar el estudio. Las gráficas que contienen las representaciones de los datos en mayor tamaño pueden consultarse en el anexo A.4 ‘Gráficas sobre las relaciones entre las diferentes variables’. Como ya se ha comentado anteriormente no se va a comprobar la influencia de la radiación neta sobre esta relación. En lo que respecta a las variables de las direcciones 1 y 2 (gráficas 9 y 10) no puede decirse que afecten de manera significante a la relación de velocidades. La gran mayoría de los datos se concentran en el rango de esta relación comprendido entre 1 y 2. Se observa que a cualquier ángulo de dirección registrada hay dispersión en los datos por lo que en términos de influencia sobre el anemómetro de cazoletas no es determinante. Estudio de la influencia de la temperatura y otros parámetros en la medición de la velocidad del viento 20 Gráficas 9 y 10. Representación de las direcciones 1 y 2 frente a la relación de la velocidad sónica entre la principal Observando ahora la gráfica 11, referida a la temperatura, se observa una influencia más notable reflejándose en que la dispersión en los datos está concentrada en un tramo determinado de temperaturas. Cuando la temperatura ambiente es menor de unos 20 ºC, los valores de velocidad principal y velocidad sónica medidos varían notablemente. Esto tendría su explicación en que la temperatura afecta de manera más severa a los anemómetros de cazoletas que a los ultrasónicos debido al lubricante que los primeros llevan incorporado en el rodamiento. Gráfica 11. Representación de la temperatura frente a la relación de la velocidad sónica entre la principal Respecto a la gráfica que hace referencia a la radiación solar, se puede observar que esta variable también influye en la relación de velocidades. Este hecho no debería sorprender ya que la radiación solar está íntimamente relacionada con la temperatura ambiente. De tal manera que un aumento en la intensidad de radiación solar suele coincidir con el aumento de la temperatura ambiente. Por otra parte cabe mencionar que los valores de radiación solar por debajo de 50 W/m 2 no se han de tener en cuenta por lo que los datos menores a ese valor de referencia no se consideran fiables. Como ocurre con la temperatura, se aprecia que para valores bajos de radiación solar (menos de 650 W/m 2 ) hay bastante dispersión en los datos. Estudio de la influencia de la temperatura y otros parámetros en la medición de la velocidad del viento 21 Gráfica 12. Representación de la radiación [W/m 2 ] frente a la relación de la velocidad sónica entre la principal En cuanto a la presión, reflejada en la gráfica 13, puede decirse que no tiene un peso relevante a la hora de determinar la relación entre ambas velocidades. La mayoría de los valores registrados están en el rango de 925 mbar y 975 mbar, valores habituales en la zona donde se tomaron las medidas. Observando la gráfica se aprecia una acumulación de registros entorno al valor más frecuente en el emplazamiento. Al ser el gradiente de presión tan pequeño se puede concluir que esta variable no afectaría a la relación entre velocidades. Gráfica 13. Representación de la presión frente a la relación de la velocidad sónica entre la principal Tras evaluar cada una de las diferentes gráficas, se puede concluir que las variables que más influyen en esta relación entre la velocidad sónica y la principal son la radiación solar y la temperatura. Al estar estrechamente relacionadas, el estudio se centrará simplemente en una de ellas: la temperatura, al considerar esta variable como la que más puede influir en los anemómetros a la hora de la medición de la velocidad del viento. Estudio de la influencia de la temperatura y otros parámetros en la medición de la velocidad del viento 22 Si se quiere observar de una manera más detallada las rosas de viento de la instalación, las funciones de distribución de las velocidades así como las de las temperaturas y la evolución de los datos (respecto a velocidad, temperatura y radiación) para todo el periodo de tiempo en el que se registraron datos en la torre de medida, puede acudirse al anexo A.7 en el que se hace un resumen de todos los datos mostrados en el análisis. Estudio de la influencia de la temperatura y otros parámetros en la medición de la velocidad del viento 23 4.- ANÁLISIS DE LA INTENSIDAD DE TURBULENCIA Como ya se ha comentado en esta memoria, la intensidad de turbulencia (IT) es un parámetro básico a la hora de definir un aerogenerador. De hecho, normalmente a la hora de definir una clase de aerogenerador hay que tener en cuenta los dos parámetros estudiados en este proyecto: velocidad del viento y turbulencia. De ésta última dependen, entre otras cosas, la vida útil del aerogenerador que se instale en el parque eólico ya que si la intensidad de turbulencia es muy elevada se pueden producir desgastes por fatiga. Para evitar que se produzcan estos desgastes se han establecido unos umbrales de referencia para la IT. Estos vienen definidos por la Norma Internacional IEC 61400- 1:2005 (versión española UNE EN 61400-1:2006) de manera que se eviten instalaciones que puedan llevar asociado algún tipo de riesgo. Así, esta norma define varias clases y subclases de aerogeneradores tal y como se muestra en la siguiente tabla: Clases de aerogeneradores I II III S V med 10 m/s 8,5 m/s 7,5 m/s V ref 50 m/s 42,5 m/s 37,5 m/s A IT ref 0,16 B IT ref 0,14 C IT ref 0,12 Valores definidos por el fabricante Tabla 14. Parámetros básicos para definir las clases de aerogeneradores Las clases de aerogeneradores están diferenciadas según su velocidad (I, II, III) y según su turbulencia media anual para velocidades del viento de 15 m/s (A, B, C). La intensidad de turbulencia suele definirse como la relación entre la desviación estándar de la velocidad del viento y la velocidad media del mismo, en tanto por ciento. Dado que normalmente los registros en los emplazamientos suelen tomarse cada diez minutos se define la intensidad de turbulencia diez-minutal, esto es: min10 min10 min10 V IT σ = De esta fórmula se deduce que la dependencia de esta variable con la velocidad es muy directa (a velocidades de viento pequeñas suelen asociarse desviaciones estándar mayores). Estudio de la influencia de la temperatura y otros parámetros en la medición de la velocidad del viento 24 En nuestro estudio se han obtenido tres intensidades de turbulencia: una para la relacionada con la velocidad sónica, otra para la velocidad principal y la última, la referida a la velocidad de apoyo. En este apartado se incluye la gráfica que compara la intensidad de turbulencia principal y la sónica (la que se refiere a la velocidad de apoyo es muy similar a la de turbulencia principal) para poder, de esta manera, apreciar las diferencias de una manera más clara. Para ver de una manera más ampliada las gráficas respecto a cada una de las velocidades puede consultarse el anexo A.5. Gráfica 15. Intensidad de turbulencia respecto a la velocidad principal y respecto a la velocidad sónica [m/s]. Como puede observarse en la gráfica 15 en el caso del anemómetro principal, hay una elevada intensidad de turbulencia para velocidades menores a 3 m/s (caso que podría corresponderse con el momento de arranque del aerogenerador). Este valor supera el 80 % para velocidades menores de 2,5 m/s. Sin embargo en el caso del anemómetro sónico esto no es así. Generalmente puede verificarse que para velocidades menores de 3 m/s el máximo valor no supera el 50 % de intensidad de turbulencia. Esta IT está muy relacionada con la curva de potencia del aerogenerador, ya que ésta última se basa en medidas tomadas para bajas intensidades de turbulencia. Las curvas de potencia representan la potencia eléctrica que el aerogenerador es capaz de generar para cada velocidad del viento. Teniendo en cuenta que la velocidad del viento de arranque de la mayoría de los aerogeneradores suele estar comprendida entre los 3 m/s y los 4 m/s y la parada de los mismos se realiza para una velocidad del viento sobre los 20 m/s o 25 m/s, esto nos deja un rango de funcionamiento comprendido entre los 4 m/s y los 15-18 m/s. Estudio de la influencia de la temperatura y otros parámetros en la medición de la velocidad del viento 25 Entonces, si se comparan las gráficas de IT obtenidas para nuestro emplazamiento con la curva de potencia de un aerogenerador (de 600 KW, en este caso) se obtiene lo siguiente: Gráfico 16. IT frente a la curva de potencia de un aerogenerador de 600 KW. En la gráfica superior puede observarse que para velocidades de viento bajas (menores de 4 m/s) el aerogenerador no proporciona ninguna potencia, por lo tanto el hecho de que el anemómetro de cazoletas se vea más afectado a estas velocidades que el anemómetro sónico, no afectaría a la producción. A partir de la velocidad de arranque del viento (unos 4 m/s) ambas intensidades de turbulencia se aproximan, por lo que tampoco afectaría a la producción el hecho de que se tomen medidas con un anemómetro u otro. Estudio de la influencia de la temperatura y otros parámetros en la medición de la velocidad del viento 32 - ESTUDIO PARA TEMPERATURAS MAYORES DE 21 ºC La ecuación obtenida para el rango de temperaturas mayores de 21 ºC ha sido: 04457,198318,0 + ⋅ = VprincipalVsónica con un valor de R 2 = 0.995509 Tabla 22. Datos referentes a la velocidad principal y sónica [m/s] para temperaturas mayores de 21ºC. En la tabla 22 se aprecia la disminución de bines de velocidad conforme aumenta la temperatura ambiente. Para este rango de temperaturas podría decirse que a partir de 16 m/s los datos registrados son muy poco significativos. Al igual que pasaba en las dos gráficas precedentes el rango de velocidades que contiene más del 90 % de los datos va de 0 m/s hasta los 8 m/s. A continuación se va a realizar el mismo estudio pero para el rango definido por el segundo análisis, es decir, temperaturas menores de 8,5ºC, temperaturas entre 8,5 y 25ºC y temperaturas mayores de 25 ºC. Estudio de la influencia de la temperatura y otros parámetros en la medición de la velocidad del viento 33 - ESTUDIO PARA TEMPERATURAS MENORES DE 8,5ºC En este caso la ecuación obtenida para el rango de temperaturas menores a 8,5 ºC ha sido: 8777,09755,0 + ⋅ = VprincipalVsónica con un valor de R 2 = 0.997665 Tabla 23. Datos referentes a la velocidad principal y sónica [m/s] para temperaturas menores de 8,5 ºC. En este caso casi el 90 % de los datos de velocidad corresponden a bines entre 1 m/s y 10 m/s. En este tramo de temperaturas empiezan a ser escasos en la instalación los datos para velocidades superiores a 18 m/s. Respecto al offset del anemómetro ultrasónico, se comprueba una vez más que este sensor proporciona valores superiores a los del anemómetro de cazoletas. Estudio de la influencia de la temperatura y otros parámetros en la medición de la velocidad del viento 34 - ESTUDIO PARA TEMPERATURAS ENTRE 8,5ºC Y 25 ºC En este caso la ecuación obtenida para el rango de temperaturas mayores a 8,5ºC y menores de 25 ºC ha sido: 9921,097377,0 + ⋅ = VprincipalVsónica con un valor de R 2 = 0.99658 Tabla 24. Datos referentes a la velocidad principal y sónica [m/s] para temperaturas mayores de 8,5 ºC y menores de 25 ºC. Éste es sin duda el tramo de temperaturas que mayor cantidad de datos congrega. La velocidad a la que los registros empiezan a tener poca frecuencia de aparición corresponde con los 22 m/s. Como viene siendo frecuente en el resto de los intervalos de temperatura, en este se confirma de nuevo el mayor valor de desviación típica y del promedio en el periodo indicado para la velocidad sónica. Estudio de la influencia de la temperatura y otros parámetros en la medición de la velocidad del viento 35 - ESTUDIO PARA TEMPERATURAS MAYORES DE 25 ºC En este último tramo de temperaturas, la ecuación obtenida para el rango de temperaturas mayores a 25ºC ha sido: 0562.19868,0 + ⋅ = VprincipalVsónica con un valor de R 2 = 0.9958 Tabla 25. Datos referentes a la velocidad principal y sónica [m/s] para temperaturas mayores de 25 ºC. Lo más significativo de esta tabla es que mientras que para la tabla 24 empezaban a ser poco representativos los datos medidos a partir de 18 m/s, para estas temperaturas lo hacen para más de 13 m/s (su frecuencia de aparición es muy escasa). Sigue pues la misma tendencia vista con la otra división de temperaturas: a mayor temperatura menores registros de velocidad. Estudio de la influencia de la temperatura y otros parámetros en la medición de la velocidad del viento 36 Haciendo un resumen de los resultados obtenidos al hacer los dos análisis, dividiendo en rangos de temperatura todos los datos recogidos en la instalación, las rectas de correlación quedarían como sigue: Tabla 26. Resumen de las rectas de correlación para todas las temperaturas y sus respectivos rangos. Si se analiza el valor que toma R 2 en los tramos de temperaturas estudiados, se comprueba que las rectas de correlación más fiables son las evaluadas para bajas temperaturas (menores de 8.5 ºC en el primer análisis y menores de 12 ºC en el segundo análisis) ya que en estos casos el coeficiente está más cercano a la unidad. En ambos análisis se obtiene un valor del coeficiente de determinación idéntico. El mismo caso se da para las temperaturas medias y altas. Por otra parte, este coeficiente es menor para los tramos en los que las temperaturas son mayores. Este resultado es coherente puesto que es en este tramo donde menor número de registros se tienen e indicaría una menor fiabilidad de las rectas de correlación para esas temperaturas. Además se comprueba que, en todo momento, el anemómetro sónico da valores más elevados que el de cazoletas. A medida que la temperatura se eleva, aumenta también el dato dado por este sensor, puesto que el término correspondiente a la ordenada en el origen es mayor en los tramos que pertenecen a temperaturas elevadas. Estudio de la influencia de la temperatura y otros parámetros en la medición de la velocidad del viento 37 5.3- Resultados de las pruebas de tendencia En este apartado se explican los resultados obtenidos de los análisis y pruebas realizadas respecto a las pruebas de tendencia entre los registros, pudiendo encontrar en los anexos información adicional sobre cada uno de ellos. El procedimiento de cálculo llevado a cabo para el análisis de tendencia, podría dividirse en dos vías: -La primera se basa en la obtención del valor de la velocidad sónica a través de las rectas de correlación halladas en el apartado anterior para cada tramo de temperatura (de manera que aplicando estas rectas al dato de velocidad principal se obtenga ese valor). -La segunda vía de análisis consiste en obtener de nuevo el valor de la velocidad sónica para cada valor discreto de velocidad principal, pero esta vez, a partir de un promedio de los valores reales medidos en la estación meteorológica (también se divide según tramos de temperatura). De esta manera se tendrían dos valores de velocidad sónica a comparar: el valor promedio real procedente de la torre de medición y el valor estimado por las correlaciones. Figura 27. Esquema del cálculo de la velocidad sónica Como ya se dispone de las rectas de correlación para los distintos tramos de temperatura, se procederá a determinar la velocidad sónica dada por estas rectas para cada bin de la velocidad principal para poder comparar los valores dados por estas rectas con los valores reales medidos por los sensores. Se han determinado las velocidades sónicas hasta un valor de 15 m/s de la velocidad principal, ya que a partir de ese valor los registros reales de la instalación empiezan a escasear. Velocidad sónica Aplicando rectas de correlación Promedio vel. real para ese Bin Estudio de la influencia de la temperatura y otros parámetros en la medición de la velocidad del viento 38 -TRAMO DE TEMPERATURAS DETERMINADO POR EL PRIMER ANÁLISIS En la tabla 28 puede observarse la comparación de los valores de velocidad sónica obtenidos al aplicar a los datos de velocidad principal las rectas de correlación para cada uno de los tramos de temperatura del segundo análisis. A su derecha se encuentra la misma comparación pero, esta vez, la velocidad sónica se ha obtenido de los promedios reales de los datos registrados. De esta manera se ve que, generalmente, el valor que más se aproxima al dado por la recta de todos los valores de temperaturas es la recta que corresponde al tramo de temperaturas entre 12 y 21 ºC, tanto para los resultados al aplicar las rectas de correlación como para el promedio de las velocidades reales. El tramo de temperaturas menores de 12 ºC da siempre un valor de temperatura subestimado y el tramo para temperaturas mayores a 21ºC sobreestima siempre este valor. Tabla 28. Comparación de las velocidades sónicas [m/s] dadas por las rectas de correlación de cada tramo de temperaturas y el promedio de las velocidades reales sónicas [m/s]. A partir de 10 m/s los resultados reales empiezan a verse afectados debido al poco número de registros que se tienen para determinados bin de velocidad principal. Estudio de la influencia de la temperatura y otros parámetros en la medición de la velocidad del viento 39 Si se construye un gráfico que muestre más intuitivamente lo que se acaba de reflejar en la tabla, se obtiene lo siguiente: Gráfica 29. Representación de las velocidades sónicas [m/s] con las rectas de correlación y con los datos obtenidos de la instalación. En la gráfica 29 se ha expuesto simplemente una representación parcial de la gráfica general en la que se representan los datos dados por cada una de las rectas de correlación y los obtenidos del promedio de los datos registrados. Se ha escogido el primer tramo de las velocidades porque es donde mejor se aprecia la desviación entre los valores dados por las rectas de correlación y los proporcionados por los datos procedentes de la instalación. La recta que contiene todos los datos de temperatura está superpuesta a la del tramo central de temperaturas, siendo ésta la que mejor aproxima los datos de velocidad sónica. Es en el momento de arranque del viento cuando hay una diferencia más notable entre los datos proporcionados por los sensores y los calculados a través de las rectas de correlación. Conforme aumenta la velocidad principal estos valores se van aproximando quedando siempre los del tramo superior de temperaturas por encima del valor registrado y los del tramo inferior de temperaturas por debajo de este valor. Estudio de la influencia de la temperatura y otros parámetros en la medición de la velocidad del viento 40 -TRAMO DE TEMPERATURAS DETERMINADO POR EL SEGUNDO ANÁLISIS La tabla 30 corrobora las observaciones realizadas en el anterior tramo de temperaturas, es decir, el valor de velocidad sónica que más se aproxima al dado por la recta de todos los valores de temperatura es la recta que corresponde al intervalo central (entre 8,5 y 25 ºC). El tramo de temperaturas bajas, menores de 8,5 ºC, proporciona una vez más un valor de temperatura subestimado mientras que el tramo para temperaturas mayores a 25ºC sobreestima siempre este valor. Esto puede justificarse con que la mayor parte de los registros tomados en la torre meteorológica corresponden al tramo central de temperaturas. Tabla 30. Comparación de las velocidades sónicas [m/s] dadas por las rectas de correlación de cada tramo de temperaturas y el promedio de las velocidades reales sónicas [m/s]. A partir de 10 m/s los resultados empiezan a verse afectados debido al poco número de registros que se tienen para determinados bin de velocidad principal. Por ejemplo, en el rango de temperaturas mayores de 25ºC la instalación no ha proporcionado registros para velocidades del anemómetro principal mayores a 17 m/s. Esto es razonable ya que, normalmente, para que soplen fuertes rachas de viento la temperatura ambiente no ha de ser muy elevada. Estudio de la influencia de la temperatura y otros parámetros en la medición de la velocidad del viento 41 Gráfica 31. Representación de las velocidades sónicas [m/s] con las rectas de correlación y con los datos obtenidos de la instalación. Al igual que en la gráfica 29, en ésta se ha expuesto una pequeña muestra de los datos correspondientes a las velocidades bajas dadas por cada una de las rectas de correlación y las obtenidas del promedio de los datos registrados. Una vez más, la recta que contiene todos los datos de temperatura coincide con la del intervalo central de temperaturas. El resultado obtenido en las dos divisiones de temperaturas es el mismo: a bajas temperaturas las rectas de correlación no se aproximan adecuadamente. A temperaturas medias se tiene unas rectas aproximadas pudiendo ser usadas para estimar la producción del aerogenerador. A temperaturas elevadas la falta de registros en la instalación impide establecer conclusiones fiables. En resumen, en ambos procedimientos se aprecia que existe una diferencia notable entre los valores de velocidad sónica medidos a temperaturas bajas y a temperaturas altas. En el caso de los tramos de temperatura baja se estaría subestimando el valor real de la velocidad sónica y para los tramos de temperatura alta se estaría sobreestimando el mismo valor.