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Consultado en: http://planeolico.iie.org.mx/4tocol/5-MarcoIIE.pps#1
Fecha de consulta: 20/09/2009.
Consideraciones básicas en la selección de
aerogeneradores para
el Corredor Eólico del Istmo de Tehuantepec
Marco A. Borja
Instituto de Investigaciones Eléctricas
Comisión Electrotécnica Internacional
Norma IEC 61400-1: Aerogeneradores.
Parte 1: Requisitos de seguridad
Propósito principal: proveer el nivel apropiado de
protección contra daños de todo tipo de riesgos, durante
la vida útil planeada.
Considera: Diseño, instalación, mantenimiento y operación
bajo condiciones ambientales específicas.
Clasificación de aerogeneradores atendiendo a
su seguridad por diseño (IEC 61400-1)
Clases
I
II
III
IV
S
Vref (m/s)
50
42.5
37.5
30
Vpro (m/s)
10
8.5
7.5
6
Valores que
deben ser
especificados
por el diseñador
A
I15 (-)
a(-)
0.18
2
0.18
2
0.18
2
0.18
2
B
I15(-)
a(-)
0.16
3
0.16
3
0.16
3
0.16
3
Vref: Velocidad máxima en 10 minutos con período de retorno de 50 años (C. Rotor)
Vpro: Velocidad promedio anual a la altura del centro del rotor.
A y B: Categoría para características de turbulencia alta y turbulencia baja
I15: Valor característico de la intensidad de turbulencia a 15 m/s
a: Parámetro usado para cálculo de desviación estándar en el modelo normal de
turbulencia
Parámetros del Viento en La Venta,
mediciones del IIE 2001-2003
Año
2001
2002
2003
2001-2003
Vmáx (m/s)
29.3
31.3
30.7
31.3
Vpro (m/s)
10.55
9.44
10.05
10.02
0.14
0.14
0.14
0.14
I15(-)
Medidos a 32 metros de altura
Velocidad promedio del Viento en La Venta
Altura (m)
2001
2002
2003
2001-2003
50
11.37
10.18
10.83
10.80
60
11.71
10.47
11.14
11.11
Estimada con modelo logarítmico definido en IEC 61400-1,
Valor de la cortante = 0.1 metros
Norma IEC 61400-1
“La distribución de la velocidad del viento en el sitio es significativa para
el diseño de un aerogenerador, porque ella determina la frecuencia de
ocurrencia de las condiciones individuales de carga”.
En el caso de Aerogeneradores Clase Estándar (I, II, II y IV), se aplica
la función de densidad de probabilidad de Rayleigh (caso especial de
la f.d.p. de Weibull con k=2).
Entonces:
 π  v 2 
P(vhub ) =
exp −  hub  
2
2 (Vave )
 4  Vave  
π vhub
Donde: P(vhub) es la probabilidad de ocurrencia de un valor de velocidad del
viento a la altura del centro del rotor del aerogenerador
Vave es la velocidad promedio anual del viento a la altura del centro del
rotor
vhub es el valor promedio en 10 minutos de la velocidad del viento a
la altura del centro del rotor.
F.D.P. de Rayleigh
F.D.P. Rayleigh para Vave=10 m/s
Frecuencia de ocurrencia (%)
8.0
7.0
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
0
5
10
15
20
Velocidad del viento (m/s)
25
30
Distribución de la velocidad del viento en
La Venta (32 m)
9.0
8.0
Frecuencia (%)
7.0
6.0
2001
5.0
2002
4.0
2003
3.0
2.0
1.0
0.0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
Velocidad del viento (m/s)
Distribución de la velocidad del viento en La Venta
(32 m) (2001-2003)
7.0
Frecuencia (%)
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
1
3
5
7
9
11
13
15
17
Velocidad del viento (m/s)
19
21
23
25
Distribución de la velocidad del viento en
La Venta (2001-2003)
8.0
7.0
Frecuencia (%)
6.0
5.0
La Venta 60 m
4.0
Rayleigh 10 m/s
La Venta 50 m
3.0
2.0
1.0
0.0
0
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
Velocidad del viento (m/s)
La Venta
60 metros
V>12 m/s
48% del
tiempo
La Venta
50 metros
V>12 m/s
46.7% del
tiempo
Rayleigh
10 m/s a la
altura del
centro del
rotor
V> 12 m/s
31.7 % del
tiempo
Diferencia a 60 metros 16.9%
Diferencia a 50 metros 14.7%
• Uno de los estudios más importantes para determinar la vida útil de un
aerogenerador es el Análisis por Fatiga. Por ejemplo, aplicando la
Regla de Miner, el estado límite se alcanza cuando el daño acumulado
excede el valor unitario de acuerdo con la fórmula:
Daño = ∑
i
ni
N (γ mγ nγ f Si )
≤ 1.0
Donde:
ni es la cuenta acumulada de los ciclos de fatiga en el bin i para el espectro de
carga, incluyendo todos los casos relevantes.
N(.) es el número de ciclos para falla en función del esfuerzo indicado por el
argumento.
Si es el nivel de esfuerzo asociado con ni,
Ym, Yn Yf, son los factores de seguridad parcial para materiales, consecuencias de
la falla y cargas, respectivamente.
• A cada velocidad de viento estacionaria (i.e., velocidad promedio en 10
minutos), se asocian cargas dinámicas por efecto de la turbulencia.
• La turbulencia es mayor para velocidades de viento bajas (i.e., entre
(Vinicio y Vnominal)
• Por consiguiente:
Para estimar adecuadamente la vida útil de un aerogenerador a instalarse
en La Venta, es necesario contar con un análisis por fatiga que considere
la distribución bimodal de la velocidad del viento en La Venta. Esto,
además del análisis para condiciones extremas y la combinación de todos
los casos de carga indicados en la norma IEC-61400-1
Distribución espacial de la velocidad del viento en el Corredor Eólico
del Istmo de Tehuantepec.
Vel30m_GLV (Velprom = 10.03 m/s)
Vel32m_IIELV (Velprom = 13.33 m/s)
Vel50m_GLV (Velprom = 10.89 m/s)
VELOCIDAD ESTACIONARIA DEL VIENTO EN EL MES DE
MARZO DE 2004 EN LA VENTA, OAXACA
Velprom30m_GLV (Velprom = 6.69 m/s)
Velprom32m_IIELV (Velprom = 8.19 m/s)
Velprom50m_GLV (Velprom = 7.47 m/s)
VELOCIDAD ESTACIONARIA DEL VIENTO EN EL MES DE
JULIO DE 2004 EN LA VENTA, OAXACA
18
25
16
Velocidad del Viento (m/s)
14
15
10
12
10
8
6
4
5
2
Día Juliano
213
213
212
211
209
210
208
206
207
205
203
204
202
201
199
Día Juliano
200
198
198
197
195
196
194
193
192
191
190
188
189
187
186
185
184
183
183
91
89
88
87
86
85
84
83
82
81
80
79
78
77
76
75
74
73
72
71
70
69
68
67
66
65
64
63
62
0
61
Velocidad del Viento (m/s)
20
Distribución espacial de la velocidad del viento en el Corredor Eólico
del Istmo de Tehuantepec.
Noviembre 2002
30.0
25.0
Velocidad del viento
20.0
5
6
15.0
8
10
10.0
5.0
0.0
1
141 281 421 561 701 841 981 1121 1261 1401 1541 1681 1821 1961 2101 2241 2381 2521 2661 2801 2941 3081 3221 3361 3501 3641 3781 3921 4061 4201
Dato del mes
Por consiguiente:
• La distribución de la velocidad del viento en la mayor parte del
Corredor Eólico del Istmo de Tehuantepec es bimodal.
• El análisis por fatiga para aplicación óptima de aerogeneradores en
cualquier sitio de dicha área, debe ser realizado con base el
la distribución bimodal.
¿ A quién debe importarle?
• Los fabricantes de aerogeneradores garantizan la operación de sus
máquinas por un período determinado, v.g., 3 a 5 años. Después, el
mantenimiento mayor, antes del término de la vida útil, constituye un
negocio adicional para ellos.
• Los financieros se aseguran de que el inversionista pueda pagar la
deuda del crédito financiero en los primeros años de operación de la
central (v.g., 7 a 12 años).
• Las ganancias del inversionista dependen de que los aerogeneradores
operen adecuadamente durante toda la vida útil proyectada, y de que
los costos de mantenimiento mayor sean iguales o menores que
aquellos que se consideraron a priori en el análisis de factibilidad del
proyecto.
¡ El inversionista es quien se debe asegurar de aplicar
el aerogenerador adecuado!
Para dicho fin, se recomienda contar con asesoría
técnica especializada que valide información
comercial de aerogeneradores.
!Muchas Gracias!
Marco A. Borja
Jefe de Proyectos Eólicos
Instituto de Investigaciones Eléctricas
maborja@iie.org.mx