Procedimiento de repotenciación de un parque eólico.

Procedimiento de repotenciación de un parque eólico inicial, configurado para maximizar la reutilización y/o ampliación de infraestructuras y/o elementos constructivos,

por el que, cada vez que se avanza en el tiempo y finaliza un año de la vida útil del parque eólico inicial, se realiza un análisis dinámico anual que comprende, entre otras etapas, determinar las líneas de tendencia de la potencia eléctrica media de los aerogeneradores instalados en la región donde se encuentra dicho parque y de la relación entre la potencia de los aerogeneradores y sus dimensiones de rotor; para los años restantes de vida útil realizar y determinar, con los datos previamente estimados, el diseño teórico de un parque eólico repotenciado tal que coincidan la máxima cantidad de infraestructuras y/o elementos constructivos entre dicho parque y el parque eólico inicial construido; obtener la fecha óptima definitiva para realizar la repotenciación en el año en el que se obtiene mayor coincidencia; y realizar la repotenciación del parque eólico mediante el diseño y en la fecha óptima obtenidos.

Procedimiento de repotenciación de un parque eólico.

Campo de la invención

La presente invención pertenece al campo de la energía eléctrica, y más concretamente, al de las metodologías de diseño de las instalaciones de generación de energía eléctrica que utilizan el viento como recurso renovable. La aplicación puede plantearse dentro de la sostenibilidad (desde el punto de vista del aprovechamiento de infraestructuras y equipamientos) y de la eficiencia energética (desde el punto de vista de la generación de energía eléctrica mediante el viento como recurso renovable) .

Antecedentes de la invención

Un aerogenerador es un dispositivo que consta principalmente de unas aspas y de una máquina eléctrica. La ubicación del aerogenerador suele estar en lo alto de una torre, siendo su altura proporcional a las dimensiones de las aspas. El conjunto de aerogenerador, aspas y torre se denomina torre aerogeneradora. Las aspas, que giran gracias a la energía cinética del viento, hacen girar a la máquina eléctrica para que ésta produzca energía eléctrica.

La energía cinética que se puede extraer del viento y convertir en energía eléctrica es directamente proporcional al área barrida por las aspas del aerogenerador al girar, según la siguiente expresión:

P = 1/2 V3 r2

donde:

P = Potencia (W)

= densidad del viento (Kg/m3)

V = velocidad del viento (m/sg)

r =radio del rotor del aerogenerador (m)

Por lo tanto, la potencia de un aerogenerador es proporcional al diámetro del área barrida por sus aspas al girar.

El tipo de viento ideal que puede mover las aspas de un aerogenerador para generar energía eléctrica, es un viento de régimen constante y flujo laminar. La existencia de obstáculos en la trayectoria del viento puede originar turbulencias que tienen efectos negativos en la calidad del viento después de haber pasado por los obstáculos (Figura 1) .

Cuando aparecen turbulencias es preciso que haya un tiempo o distancia de recuperación entre el obstáculo generador de las turbulencias y la próxima torre aerogeneradora para que el viento recupere, lo máximo posible, sus condiciones iniciales de régimen y flujo laminar.

Cuando se diseña un parque eólico cualquiera donde hay más de un aerogenerador y se estudian los lugares de colocación de las torres aerogeneradoras, se deben tener en cuenta las distancias existentes entre las distintas torres aerogeneradoras para aminorar los efectos negativos que pueden aparecer por las turbulencias de viento creadas entre las distintas torres aerogeneradoras y que puedan afectar al rendimiento de las torres aerogeneradoras. Entre estos efectos negativos se encuentra el efecto estela cuya repercusión en el rendimiento de los aerogeneradores puede reducir en un 50% o más el rendimiento en producción del parque eólico.

Para evitar estos efectos existen algunas premisas en la distribución en planta [M Samorani, The Wind Farm Layout Optimization Problem] donde se indica que los aerogeneradores deben ser colocados respetando unas distancias mínimas establecidas entre ellos. Estas distancias dependen de la dirección predominante del viento respecto a su distribución en planta, y son proporcionales a su rotor (diámetro de la circunferencia que forman sus aspas al girar) (Figura 2) .

Por lo tanto, inicialmente, para definir la disposición o distribución de las torres aerogeneradoras es necesario conocer las direcciones predominantes y velocidades medias que puede tener el viento en el emplazamiento del futuro parque eólico.

Para representar estas direcciones y velocidades se utilizan dos aparatos denominados "veleta y anemómetro" correspondientemente, los cuales, mediante registradores almacenan los datos de las direcciones, velocidades de viento y sus respectivas duraciones que se vayan produciendo en el emplazamiento donde se encuentran instalados. Con los datos registrados se realiza una gráfica que se denomina "rosa de los vientos" (Figura 3) y que representa primero, cuales son las direcciones predominantes y la mayor o menor relevancia de cada una a lo largo de un tiempo determinado de recogida de datos, y segundo, las velocidades medias de viento asociadas a cada dirección predominante.

Por otro lado destacar que la rosa de los vientos obtenida es característica del emplazamiento donde se va a ubicar el parque eólico, por lo tanto:

- La rosa de los vientos es una propiedad del emplazamiento que no depende de las torres aerogeneradoras a utilizar.

- La rosa de los vientos es más precisa y fiable cuantos más datos o registros se dispongan y estos estén repartidos en el mayor tiempo posible. Es decir, de cuanto más tiempo de toma de datos se disponga y más frecuentes sea la toma de estos datos, más precisa es la rosa de los vientos obtenida. De esta forma, se diseña el histórico de datos del emplazamiento.

Respecto al mayor rendimiento de las torres aerogeneradoras y el correspondiente incremento de la generación de energía eléctrica, existen varias disposiciones consideradas como óptimas [Yunus Ero_glu*, Serap Ulusam Seçkiner, Wind farm layout optimization using particle filtering approach], a elegir según las características de la rosa de los vientos obtenida.

Considerando, como ejemplo, una disposición a tresbolillo como la de la figura 2 y en función de la variación que tenga el viento en su dirección, existen unos márgenes entre las distancias mínimas de separación entre las torres aerogeneradoras, las cuales buscan el equilibrio entre dos premisas para optimizar el rendimiento de los aerogeneradores y la producción energética del parque eólico:

- Primera premisa, que exista una reducción casi total de los efectos negativos generados entre las torres aerogeneradoras, debido a las turbulencias generadas por ellas mismas. Cuanto más alejadas estén unas torres aerogeneradoras de otras, menores efectos negativos existirán entre ellas.

- Segunda premisa, que exista el mayor número de torres aerogeneradoras posible en el emplazamiento para poder producir la mayor energía eléctrica posible. Cuanto más cerca se sitúen las torres aerogeneradoras entre sí, mayor número de ellas se podrán instalar.

Por lo tanto y en general, en una disposición de tresbolillo según la figura 2, se tienen unos márgenes de distancias mínimas a respetar entre las torres aerogeneradoras, para conseguir dicho equilibrio entre reducción de turbulencias y número de torres aerogeneradoras a instalar. Utilizando como unidad de medida de longitud el diámetro o rotor formado por la circunferencia de las palas del aerogenerador al girar, se tienen las siguientes distancias mínimas de separación:

- Entre 3 y 5 rotores como mínimo de distancia de separación entre torres aerogeneradoras en la dirección transversal a la principal dirección predominante del viento.

- Entre 5 y 9 rotores como mínimo, de distancia de separación entre torres aerogeneradoras en la principal dirección predominante del viento.

Cuando se diseña un parque eólico cualquiera, el objetivo principal buscado en esta fase de estudio es obtener la máxima producción de energía eléctrica posible, ahora bien, puede darse el caso de que incrementar en exceso el número de torres aerogeneradoras no aporte un efecto positivo pues al acercar las torres aerogeneradoras demasiado, siempre respetando las distancias mínimas, se mejora la generación de energía pero también se incrementa significativamente el coste de la inversión inicial y de operación, puesto que se ha incrementado el número de torres. En este caso, lo habitual es seleccionar la instalación de un número menor de torres a mayor distancia de separación.

Por lo tanto, también es necesario realizar la búsqueda de un nuevo equilibrio entre la producción energética del número de torres instalado y el coste correspondiente de inversión y operación para obtener del parque eólico el mayor beneficio económico posible, según la siguiente expresión simplificada:

Beneficio económico = Ingresos por producción -coste inversión -costes operativos El estudio económico se desarrolla para la vida útil establecida del parque eólico.

En conclusión, a la hora de diseñar un parque eólico cualquiera y valorar el número de torres aerogeneradoras y su correspondiente ubicación se busca, como objetivo principal, el máximo beneficio económico de la inversión al final de la vida útil establecida para el parque eólico.

Para ello, inicialmente se establecen las posibles distribuciones de las torres aerogeneradoras para incrementar la producción energética, según distancias mínimas a respetar y aerogeneradores...

1. Procedimiento de repotenciación de un parque eólico inicial, configurado para maximizar la reutilización y/o ampliación de infraestructuras y/o elementos constructivos, y caracterizado por que cada vez que se avanza en el tiempo y finaliza un año de la vida útil del parque eólico inicial, se realiza un análisis dinámico anual que comprende las etapas de:

- cada año que se avanza en el tiempo y para una duración de al menos los años restantes de vida útil del parque eólico inicial construido, determinar la línea de tendencia de la potencia eléctrica media de los aerogeneradores instalados en la región donde se encuentra ubicado el parque eólico inicial, y la línea de tendencia de la relación entre la potencia de los aerogeneradores y sus dimensiones de rotor;

- cada año que se avanza en el tiempo, y para los años de vida útil restantes del parque eólico inicial construido, realizar, con los datos previamente estimados, el diseño teórico de un parque eólico repotenciado sin considerar la ubicación exacta de las torres aerogeneradoras e infraestructuras, considerando el emplazamiento en donde se encuentra ubicado el parque eólico inicial, tal que se obtienen las características de los aerogeneradores que según las líneas de tendencia se estima presenten cada año, se define el número de torres aerogeneradoras e infraestructuras y su producción anual estimada y se detallan las distancias mínimas de separación entre las torres aerogeneradoras e infraestructuras sin pérdida de producción energética;

- cada año que se avanza en el tiempo, y para los años de vida útil restantes del parque eólico inicial construido, diseñar teóricamente, y con ubicación exacta de torres aerogeneradoras e infraestructuras, el parque eólico repotenciado, estableciendo una comparativa entre dicho parque eólico repotenciado y el parque eólico inicial construido, tal que coincidan en cada comparativa la máxima cantidad de infraestructuras y/o elementos constructivos, maximizando así la reutilización y el aprovechamiento;

- cada año que se avanza en el tiempo y para los años de vida útil restantes del parque eólico inicial construido, determinar dicha cantidad de infraestructuras y/o elementos constructivos coincidentes entre el parque eólico repotenciado y el parque eólico inicial construido;

- obtener la fecha óptima definitiva para realizar la repotenciación del parque eólico inicial construido, de tal forma que dicha fecha óptima definitiva coincide con el año en el que se obtiene mayor coincidencia de infraestructuras y/o elementos constructivos entre el parque eólico repotenciado y el parque eólico inicial construido;

- realizar la repotenciación del parque eólico inicial construido mediante el diseño de parque eólico repotenciado calculado previamente y en la fecha óptima definitiva.

2. El procedimiento de la reivindicación 1, donde el parque eólico inicial no está construido y, como paso previo al análisis dinámico anual, se realiza un análisis estático en el instante inicial que comprende las etapas de:

- diseñar de forma teórica el parque eólico inicial en un emplazamiento virgen sin considerar la ubicación exacta de las torres aerogeneradoras e infraestructuras, tal que se obtienen las características de los aerogeneradores, se define el número de torres

aerogeneradoras e infraestructuras y su producción anual estimada, se detallan las distancias mínimas de separación entre las torres aerogeneradoras e infraestructuras sin pérdida de producción energética, y se establece el número de años de vida útil de dicho parque eólico;

- determinar, para una duración de al menos la vida útil del parque eólico inicial, la línea de tendencia de la potencia eléctrica media de los aerogeneradores instalados en la región donde se encuentra dicho emplazamiento virgen, y la línea de tendencia de la relación entre la potencia de los aerogeneradores y sus dimensiones de rotor;

- para cada año de vida útil del parque eólico inicial, y con los datos previamente estimados, realizar el diseño teórico de un parque eólico repotenciado sin considerar la ubicación exacta de las torres aerogeneradoras e infraestructuras, considerando el mismo emplazamiento virgen en donde se prevé construir el parque eólico inicial, tal que se obtienen las características de los aerogeneradores que según las líneas de tendencia se estima presenten ese año, se define el número de torres aerogeneradoras e infraestructuras y su producción anual estimada y se detallan las distancias mínimas de separación entre las torres aerogeneradoras e infraestructuras sin pérdida de producción energética, de tal forma que existen tantos diseños teóricos de parques eólicos repotenciados como años de vida útil comprende el parque eólico inicial;

- para cada año de vida útil del parque eólico inicial, diseñar teóricamente y con ubicación exacta de torres aerogeneradoras e infraestructuras, el parque eólico inicial y el parque eólico repotenciado, estableciendo una comparativa entre ambos, tal que coincidan en cada comparativa la máxima cantidad de infraestructuras y/o elementos constructivos, maximizando así la reutilización y el aprovechamiento;

- determinar, para cada año de vida útil del parque eólico inicial, dicha cantidad de infraestructuras y/o elementos constructivos coincidentes entre el diseño de parque eólico repotenciado para ese año y el diseño de parque eólico inicial;

- obtener la fecha óptima estimada para realizar la repotenciación del parque eólico inicial, de tal forma que dicha fecha óptima estimada coincide con el año en el que se obtiene mayor coincidencia de infraestructuras y/o elementos constructivos entre el parque eólico repotenciado para ese año y el parque eólico inicial;

- obtener el diseño teórico de parque eólico inicial con ubicación exacta de torres aerogeneradoras e infraestructuras, correspondiente al año en el que se obtiene mayor coincidencia de infraestructuras y/o elementos constructivos entre el parque eólico repotenciado y el parque eólico inicial;

- construir el parque eólico inicial bajo el diseño que proporciona mayor coincidencia de infraestructuras y/o elementos constructivos entre el parque eólico repotenciado y el parque eólico inicial, y con una repotenciación prevista para la fecha óptima estimada.

3. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde en el caso de que la mayor coincidencia de infraestructuras y/o elementos constructivos coincidentes entre el parque eólico repotenciado y el parque eólico inicial construido se obtenga en el último año de la vida útil de dicho parque eólico inicial construido, se analiza el número de coincidencias en los años sucesivos al fin de la vida útil.