Introducción al monitoreo de velocidades de viento para turbinas eólicas

Este es el primero de una serie de artículos que espero publicar en los meses siguientes para cualquiera que este buscando conocer un poco más acerca de las turbinas eólicas y qué es lo que las hace girar. Comenzaré con turbinas eólicas y puntos muy básicos y poco a poco aumentaré los términos técnicos y la complejidad de la evaluación eólica en sitio, lo cual es usualmente como el pan y mantequilla de los Analistas de la Energía Eólica.

Estos artículos tratarán de resumir las pregustas típicas que recibimos a diario de usuarios finales que entran en contacto con nosotros lo cual no significa que usted no busque la ayuda de un analista del recurso eólico. 

Cuando está pensando en instalar una turbina eólica en su casa o granja, hay algunas cosas qué considerar, pero probablemente las más importantes pueden resumirse en 3 puntos clave:

  • Altura
  • Ubicación
  • Tamaño de la turbina eólica

 Altura

Esto es fácil, entre más alta sea la torre de la turbina mejor. Entre más alta, menos obstáculos y por tanto hay menos turbulencia en el viento lo cual normalmente significa velocidades del viento más altas

(Datos reales proporcionados por Logic Energy Ltd)

Arriba se muestra la comparación con dos anemómetros en el mismo mástil de viento, uno a 40 metros y otro a 30. El anemómetro de 40 metros muestra una velocidad media del viento de 1 m/s más que la del anemómetro a 30 metros.

Ubicación

Ubicación, ubicación y ubicación, al igual que en el mercado de bienes raíces, esta es una de las cosas más importantes a considerar cuando se piensa en instalar una turbina eólica. Podemos estar en un área ventosa pero el punto en particular que estamos buscando puede estar rodeado de obstáculos como árboles, casas o poblados a algunas millas de distancia. Esto puede tener un efecto no deseado no solo por el incremento de turbulencias de viento sino que la velocidad del viento puede verse severamente reducida.

Como puede ver en el diagrama anterior entre más alta este la central de la turbina de viento y entre mejor ubicada esté la turbina eólica, se tendrá una menor turbulencia del viento y un flujo del viento más estable.

 

Tamaño de la turbina eólica

Piense acerca de las velas de un barco, entre más grande sean más viento capturarán y por tanto pueden lograr más energía. Las turbinas eólicas no son tan diferentes, entre más grande sea el rotor más viento capturarán.

Por supuesto que hay técnicas para mejorar la producción del viento y todo tipo de avances técnicos, pero es una regla de oro que vale la pena tener en mente.

El punto final que hay que recalcar en cuanto a la ubicación, es que en ciertas áreas el aire es demasiado riesgoso o turbulento, o incluso demasiado rápido, en estos lugares la mejor solución es instalar una turbina eólica con un rotor grande y otras turbinas eólicas pequeñas que puedan aprovechar toda la ventaja de esas velocidades altas del viento.

Su analista o consultor del recurso eólico podrá aconsejarle sobre esto en cuanto usted haya recopilado suficientes datos de medidas del viento.

 

Planificando su proyecto de monitoreo de velocidades del viento

Con estas tres reglas en mente, podemos buscar el sitio "perfecto" para instalar la turbina eólica, pero antes usted necesitará monitorear la velocidad del viento de su sitio por un periodo de tiempo, entre más largo el periodo, mejor. Esto puede hacerse de diferentes formas pero en general, es aconsejable usar un registrador de datos profesional que no solo registre los datos eólicos, sino que haga cálculos en tiempo real con esos datos para poder proporcionar toda la información relevante para el analista del recurso eólico.

Algunas cosas con las que debe familiarizarse:

  • Velocidad media, máxima y desviación estándar del viento: Usualmente estas se obtienen cada 10 minutos.
    • Media: este es el promedio de las velocidades del viento en un periodo de 10 minutos, usualmente se proporciona en metros por segundo [m/s]
    • Máxima: Esta es la velocidad máxima o ráfaga del viento que ha sido medida en un periodo de 10 minutos
    • Desviación estándar: Este es un indicativo de la intensidad de la turbulencia del viento durante el intervalo de 10 minutos. Necesitamos asegurarnos que la "turbina eólica va a funcionar con el viento y no en contra de él”
  • Dirección del viento: Usted necesita sabe de dónde viene el viento la mayoría de las veces y con qué velocidades.
  • Mástil MET o mástil de viento: Este es usualmente utilizado por profesionales con anemometría o sensores de viento montados en ellos. Los mástiles necesitan no tener vibración o "bamboleos" ya que esto puede impactar la lecturas tomadas por el registrador de datos eólicos. Normalmente un mástil de viento tendrá varios sensores a diferentes alturas para poder tener un mejor conocimiento del viento en el sitio. Cosas como la longitud de la rugosidad o cizalladura del viento son importantes, pero también lo son la temperatura y la presión.
  • Cizalladura del viento: Esta se calcula al medir la velocidad del viento a diferentes alturas. Al medir a diferentes alturas podemos tener un mejor entendimiento de la intensidad de las turbulencias y también del impacto en las velocidades del viento en alturas más elevadas. También se usa "extrapolar" a alturas más elevadas cuando la medición a la altura de la central de la turbina eólica no es posible. Otro de los beneficios de la medición a diferentes alturas es que se obtienen opciones abiertas al momento de elegir diferentes turbinas eólicas.

Ejemplo de viento LeSENSE

(Ejemplo de la velocidad media, máxima y desviación estándar del viento en LeSENSE, proporcionado por Logic Energy Ltd)

Preguntas y Respuestas sobre el monitoreo del viento

  • ¿Por cuánto tiempo debo monitorear o registrar los datos eólicos?
    • Necesita varios meses de datos para tomar una decisión informada. Idealmente no menos de 6 meses de datos, pero lo ideal sería 1 año.
  • Cuándo tenga todos los datos eólicos, ¿qué hará con ellos?
    • Lo ideal es que un analista del recurso eólico los vea definitivamente si la velocidad del viento parece razonable y el sitio prometedor.
    • Envíe los datos a su proveedor de turbinas eólicas de su elección. Él deberá poder decirle cuánta energía podrá esperar de su sitio.
    • Calcule la velocidad media del viento, está le dará una idea en general de la velocidad media del viento con que cuenta su sitio.
      • En forma general, para turbinas eólicas pequeñas que se financiarán con fondos privados, las cosas comienzan a verse bien a partir de velocidades mayores a los 4m/s.
      • Si la turbina eólica va a ser financiada por el banco, usualmente necesitará velocidades de viento superiores a los 6 m/s.
    • Calcule la distribución de frecuencias, esta le dará una idea más clara del perfil eólico en el sitio, distribuyendo o dividiendo en secciones las diferentes velocidades de viento.
      • Una vez que conoce por cuántas horas ha estado soplando el viento a diferentes velocidades (usualmente en bandas o distribuciones de frecuencias de 1m/s) puede multiplicar estas por la curva de potencia dada por el proveedor de la turbina eólica. La suma de todo esto le dará la energía que su sitio pudiera haber generado con una turbina en particular en el sitio.
    • A falta de otra cosa… entre en contacto con nosotros y le pondremos en contacto con algunos especialistas.

(Gráfica de distribución de frecuencias usando LeSENSE, proporcionado por Logic Energy Ltd)

 

Equipo

  • Anemómetros, estos deben ser calibrados y contar con un certificado comprobable. Con una precisión mayor al 1% y una resolución de 0.1m/s. Siempre se recomienda el uso de al menos dos anemómetros.
  • Veleta de viento, con una resolución ideal del 1°
  • Registrador de viento o monitor:
    • Debe poder almacenar datos históricos. Como mínimo obtener los siguientes parámetros de velocidad del viento:
      • Velocidad del Viento Media, Máxima y su Desviación Estándar
    • Dirección del Viento
    • Aconsejable que pueda medir también, temperatura y/o presión y humedad.
    • Aconsejable que cuente con canales libres para equipo adicional de anemometría u otros sensores
    • Fuente de energía del registrador o del dispositivo de monitoreo.
      • Para periodos cortos de tiempo está bien usar baterías alcalinas cuando los datos de recopilan con frecuencia.
      • Para periodos más largos de tiempo se recomienda recopilar los datos en forma remota (i.e.: vía GSM o GPRS) y utilizar un kit fotovoltaico para suministrarle energía al equipo de monitoreo del viento

 

 Preguntas y Respuestas más generales

¿Por qué necesito un registrador de datos eólicos o registrar las velocidades del viento?

Al tomar la decisión de comprar una turbina eólica y no conocer con exactitud el perfil eólico de su sitio, se está arriesgando. Las pequeñas desviaciones en velocidades del viento medidas tan pequeñas como 0.4m/s pueden significar varios £10,000 en costos de alimentación de energía. Los analistas del recurso eólico y los bancos conocen esto muy bien, no hay secretos, sólo matemáticas y buenos datos eólicos.

He revisado en bases de datos eólicos y mi sitio cuenta con una velocidad media del viento anual buena/mala. ¿Esto es suficiente para tomar una desición?

No, no lo es. La micro ubicación de las turbinas eólicas se ve afectada por la complejidad del paisaje. Algunas veces una velocidad media del viento de una base de datos puede no tener buenos datos reales de viento debido a los alrededores (árboles, casas, valles) y otras veces una no tan buena velocidad media de una base de datos puede resultar en un muy buen sitio dadas las características especiales de este micro sitio (i.e.: una alta elevación sobre del paisaje)

“La distribución Weibull" y otros términos rimbombantes, ¿qué son?

Cuando usted cuenta con la velocidad media del viento y el perfil eólico del sitio, entonces puede calcular un valor constante para usarlo en el algoritmo de distribución Weibull. Esto le permite producir pronósticos de energía a más largo plazo. La cuestión clave es que usted necesitará conocer el parámetro constante del micro sitio, el cual está dado por la medición de la velocidad del viento.


Ejemplo con una turbina eólica pequeña

Veamos esta gráfica, ambas curvas pertenecen al mismo sitio. Una de ellas da la probabilidad basada en la distribución de Weibull con k=2 (lo cual es lo que las normas de la industria asumen) y la otra está basada en datos reales registrados con el monitor de datos eólicos LeNETmobile. Ambos con una velocidad media del viento de 3.5 m/s.


La gráfica anterior muestra en el eje horizontal la velocidad en metros por segundo y en el eje vertical la probabilidad de viento por velocidad del viento. En el caso de los Datos Reales no hay probabilidad, ¡sólo datos reales!

Con la predicción de datos tenemos una probabilidad de viento del 12% a 6 m/s, pero con los datos reales se muestra solamente un 6.5%. Esto se ve mal a simple vista, pero viendo las velocidades mayores de viento de: 10m/s, 12m/s, ... ¡estas no son la clase de velocidades del viento con las que usualmente las turbinas se desempeñan mejor logrando una alta eficiencia!

Hasta aquí todo bien, pero ¿cómo se relaciona esto con la producción de energía?

Encontramos el número de horas que el viento ha soplado a diferentes velocidades para ambos conjuntos de datos (Datos reales y Weibull). Con el total del número de horas a diferentes velocidades, los colocamos con la típica curva de energía suministrada por cualquiera de los fabricantes de turbinas eólicas, y encontramos valores muy diferentes:

Datos recopilados (Datos reales): 1,492kWh en un mes

Datos estimados usando Weibull: 1,086kWh en un mes

¿Puede usted ver la diferencia entre conocer los datos reales de su sitio y adivinarlos? En este caso ha sido una aproximación positiva, ¿pero que tal si resulta todo lo contrario? ¿Qué tal si estimamos más energía de la que realmente está disponible en el sitio? Definitivamente bien vale la pena conocer el potencial real de su sitio antes de invertir en una turbina eólica.

¿Pero... 1,500kWh por mes no es tanto, o sí?

Bueno, todo depende del tamaño de la turbina eólica y el viento disponible en el sitio. Este estudio fue hecho con una turbina eólica muy pequeña.



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