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Pronóstico mejorado en la energía eólica

Para calcular la futura Producción Anual de Energía (AEP) de un potencial proyecto de energía eólica, normalmente se utiliza una metodología de tres etapas para calcular la velocidad del viento en el largo plazo en una planta de generación eólica propuesta.

La Producción Anual de Energía de una planta de generación de energía eólica se puede determinar entonces al aplicar este conjunto de datos de largo plazo, en combinación con las herramientas del flujo de vientos (como WAsP o los programas CFD), curvas de energía de turbinas eólicas, curvas de empuje, trazados eléctricos, etc.

Sin embargo, la primera actividad es establecer el recurso eólico a largo plazo en el sitio propuesto, cálculo que a menudo está basado en la metodología de Medición, Correlación y Predicción (MCP).

A continuación se describen brevemente las tres etapas de la metodología, centrado principalmente en la segunda etapa, a saber, el proceso de correlación:

  1. Se mide la velocidad del viento en el sitio y en las estaciones meteorológicas en forma simultánea (durante un período de aproximadamente 12 meses) 
  2. Se correlacionan los conjuntos de datos para encontrar una relación entre los dos conjuntos de datos de corto plazo (sitio y estaciones meteorológicas) 
  3. Se predice el recurso eólico a largo plazo en el sitio con el conjunto de datos a largo plazo obtenido en la estación meteorológica con la relación establecida entre la estación meteorológica y los datos del sitio para calcular el recurso eólico de largo plazo en el sitio

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El proceso de correlación (Etapa 2)

Se correlacionan los datos de recursos eólicos obtenidos durante un año aproximadamente, medidos simultáneamente en el sitio propuesto para una planta de generación de energía eólica y en una estación meteorológica adecuada.

Posteriormente se puede calcular un registro del sitio a largo plazo basado en esta relación matemática, utilizando el registro del recurso eólico de largo plazo de la estación meteorológica como datos de partida (input).

El conjunto de datos de velocidad del viento a largo plazo resultante para el sitio propuesto para la planta de energía eólica conforma la base para los cálculos de la Producción Anual de Energía.

Existen varias curvas matemáticas que se pueden utilizar para describir la relación entre los datos de la estación meteorológica y los datos del sitio:

  • Un análisis numérico que habitualmente utiliza líneas rectas para describir la relación 
  • El análisis analítico utiliza una función matemática que describe las propiedades físicas del viento – la cual es la metodología de SKM que conecta la función de correlación con IEC 61400 1

Análisis numérico

El objetivo de un análisis de correlación es identificar una función matemática que describa la relación entre las características del viento en la estación meteorológica y en el sitio propuesto para planta de energía eólica. Cabe señalar que esto es diferente a “encontrar la curva que se ajuste mejor al conjunto de datos”. La curva que describe la relación debería ser capaz de pronosticar los valores de velocidad del viento en el sitio a partir de datos de la estación meteorológica que no han sido incluidos al establecer la curva de correlación – no debería proporcionar solamente la relación más alta de “virtud de ajuste”.

Mejorando los pronósticos respecto de la energía eólicaAnálisis analítico – descripción del viento

La serie IEC 61400 de estándares describe el recurso eólico en sitios con funciones de distribución de Weibull; estas funciones se pueden utilizar para modelar una relación entre el sitio y la estación meteorológica.

Estas funciones de Weibull son ampliamente aceptadas en la industria de la energía eólica, con numerosos documentos que describen la distribución del viento con las curvas de distribución de Weibull, en los cuales se confirma su capacidad para describir un recurso eólico y establecer una correlación entre los datos medidos en la estación meteorológica y los datos del sitio.

Correlación mediante las curvas de Weibull

La metodología de correlación de SKM está basada en IEC 61400, que describe el viento como una curva de Weibull.

El recurso eólico en la estación meteorológica y en el sitio se puede describir en términos de funciones de distribución acumulativa que describen la distribución acumulativa de la velocidad del viento en el sitio y en la estación meteorológica.

El análisis de correlación establece una relación uno-a-uno entre los datos de la estación meteorológica y los datos del sitio, en que se utilizan las dos funciones de Weibull para describir la relación entre la velocidad del viento en la estación meteorológica y la velocidad del viento en el sitio.

Al tomar ambas curvas de Weibull, provenientes de los datos de la estación meteorológica y los datos del sitio, se genera una curva de correlación verificable y transparente basada en mediciones simultáneas. Este enfoque es consistente con el conjunto de estándares IEC 61400.

Verificación de los resultados

Un análisis riguroso que utiliza técnicas de comparación entre predicción y observación de las diferentes metodologías de correlación verifica la metodología de correlación de Weibull.

El archivo de datos medidos originalmente que contiene datos sincronizados del sitio y de la estación meteorológica ha sido dividido al azar par conformar dos conjuntos independientes de datos. El Conjunto 1 fue utilizado para establecer las tres curvas de correlación (predicción). El Conjunto 2, que al igual que el Conjunto 1 contiene datos sincronizados del sitio y de la estación meteorológica, fue usado para evaluar las tres curvas de correlación (observación).

Los datos de la estación meteorológica provenientes del Conjunto 2 se utilizaron en conjunto con las tres funciones de correlación diferentes para calcular tres conjuntos sintetizados de datos de velocidad del viento en el sitio. Estos conjuntos fueron posteriormente comparados con los datos reales provenientes del Conjunto 2 – a fin de comparar los valores de la predicción con los observados.

La comparación entre el conjunto de datos sintetizados/predicción y el conjunto de datos reales/observación proporciona una medida de qué tan bien describen las funciones de correlación a los datos medidos, pero más importante es la comparación de la producción de energía basada en los datos de la predicción de vientos con la producción de energía basada en los datos del viento observado.

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Durante la verificación, el proceso se repitió para construir 40 conjuntos de cuatro trazos de velocidad de viento (40 conjuntos de datos tomados al azar del Conjunto 1 usados para predecir las curvas de correlación y conjuntos de datos del Conjunto 2 resultantes de un dato real (de observación) y tres conjuntos de datos de velocidad del viento sintetizados basados en las diferentes curvas de correlación). Estos conjuntos de datos de velocidad de viento (de observación y predicción) fueron traducidos a valores de Producción Anual de Energía con la utilización de una curva de una turbina generadora de energía eólica.

La Producción Anual de Energía del conjunto de datos reales (observados) fue posteriormente normalizada a uno (línea negra vertical recta en el Gráfico 1 presentado más adelante).

El valor medio de Producción de Energía Anual y la desviación estándar asociada basada en las tres curvas de correlación se presentan como curvas de distribución de Gauss (ROJO basada en la curva de correlación de Weibull, VERDE basada en la línea forzada a través de la correlación cero y AZUL basada en la correlación de línea recta).

Se demuestra que la Producción Anual de Energía basada en la curva de distribución de Weibull es la más cercana al valor de Producción de Energía Anual, con lo cual se valida esta metodología.

Conclusión

En encargos para calcular los valores de Producción de Energía Anual para quienes desarrollan proyectos, los inversionistas e instituciones financieras para proyectos en la costa y mar adentro, , Sinclair Knight Merz (SKM) ha constatado que la metodología de correlación de Weibull anterior arroja una mayor exactitud y una incertidumbre asociada más baja cuando los datos del sitio y en particular los de la estación meteorológica presentaban una calidad suficientemente alta.

Lo anterior ha sido válido para proyectos en la costa con diferentes características ambientales y topográficas, además de proyectos mar adentro.

El presente artículo es un resumen del documento técnico, Mejoras en los cálculos de Producción Anual de Energía mediante el uso de IEC 61400.

1 IEC 61400-1 (2005-2008), Turbinas Eólicas - Parte 1: Requerimientos de Diseño, Comisión Internacional Electrotécnica (IEC).

Who does this affect?

A quienes están interesados en las estaciones de generación eólica.

What do I need to do?

Comprender la metodología utilizada par calcular la Producción Anual de Energía en plantas eólicas.

Sobre el autor: Paul van Lieshout

Paul van Lieshout, Líder de Prácticas de Generación Eólica, ha participado en el desarrollo de plantas eólicas durante 25 años. Durante su carrera ha llevado a cabo encargos en el RU, Nueva Zelanda, Australia, América del Norte y del Sur y Europa con énfasis creciente en plantas eólicas ubicadas mar adentro.

© Sinclair Knight Merz

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