Clima de vientos extremos de Uruguay y su efecto en la selección y operación de aerogeneradores

Transcripción

1 Clima de vientos extremos de Uruguay y su efecto en la selección y operación de aerogeneradores Valeria Durañona Grupo de Eolo Dinámica III Jornadas de Energía Eólica de junio Sala de Actos del LATU

2 Clima de vientos extremos en Uruguay Los vientos extremos en Uruguay son causados por: Ciclones extratropicales que se intensifican durante su pasaje sobre el país

3 Clima de vientos extremos en Uruguay y tormentas convectivas severas

4 Ciclones extratropicales Son sistemas de baja presión, de diámetro del orden de cientos a 1000 km, que en el Hemisferio Sur giran en sentido horario Su pasaje por un sitio determinado demora de varias horas a algún día En algunas situaciones sinópticas los ciclones extratropicales pueden intensificarse y ser responsables de la ocurrencia de vientos fuertes Es común en esos casos que en Uruguay se alcancen velocidades medias en 10 min del orden de los 100km/h (a 10m de altura) (27.8 m/s)

5 U Ciclones extratropicales La distribución de velocidad en altura suele ser de tipo Capa Límite Atmosférica (CLA) ( ) L r o z z z z d - z L κ u z U < < = n = ref ref z z U U(z) δ z z L < <

6 Ciclones extratropicales Uruguay pertenece a una de las regiones de mayor generación de ciclones del Hemisferio Sur, la cual presenta un máximo de generación de ciclones sobre Uruguay Generalmente estos ciclones se mueven hacia el sureste, y alcanzan su máxima depresión (y sus máximas velocidades en superficie) sobre el océano

7 Ciclones extratropicales Las máximas velocidades provienen usualmente del cuadrante sureste-suroeste Vientos fuertes del cuadrante suroeste Vientos fuertes del cuadrante sureste (situación sinóptica típica durante una sudestada)

8 Ciclón extratropical 23/8/2005 Una depresión atmosférica se intensificó rápidamente sobre Uruguay mientras se movía hacia el sudeste, causando velocidades medias en 10 minutos de casi 100 km/h (27.8m/s) del OSO, y ráfagas de hasta 180 km/h (50 m/s) Afectó principalmente una franja de unos 300km de la costa sur y este del país

9 Ciclón extratropical 23/8/2005 Tormenta del 23 de agosto - ANP pasada a exposición Carrasco 160 Vel 10min (km/h) 360 N 140 Vel Carrasco (km/h) (patm -pmin)*10 (mbar) 315 NO 120 Dir (º) 270 O Vel 10min (km/h) SO S SE dir(º) (patmpmin).10 (mbar) E NE Horas 23/8 24/8 Velocidades promedio en 10 minutos de Carrasco (DNM) y ANP, comparadas suponiendo flujo tipo CLA (Capa Límite Atmosférica) 0 N

10 Ciclón extratropical 23/8/2005 Tormenta del 23 de agosto - ANP pasada a exposición Carrasco 180 Ráfagas (km/h) 360 N 160 Ráf Carrasco (km/h) 315 NO 140 (patm -pmin)*10 (mbar) Dir (º) 270 O SO S SE dir(º) (patmpmin).10 (mbar) E NE Horas 23/8 24/8 N Velocidades de ráfaga comparadas de Carrasco (DNM) y ANP, suponiendo flujo tipo CLA

11 Ciclón extratropical Tormenta 23/8 DNM 23/8/ m de altura 180 N360 NO O 270 Vel 10min (km/h) SO 225 S180 SE 135 E90 dir (º) Carrasco V (km/h) Melilla V (km/h) Colonia V (km/h) Laguna del Sauce V (km/h) Carrasco Raf (km/h) Melilla Raf (km/h) Colonia Raf (km/h) Laguna del Sauce Raf (km/h) Carrasco dir (º) Melilla dir (º) Colonia dir (º) Laguna del Sauce dir (º) NE 45 0 N /8 Horas 24/8 Velocidades promedio y ráfagas a 10m de altura en diferentes estaciones

12 Ejemplos Otros ciclones extratropicales 23/8/05 24/8/05 Hora DNM, estación meteorológica de Carrasco Velocidad media (km/h) Ráfagas (km/h) Dirección O SO OSO OSO SO OSO OSO SO entre las 21 y las 22 se alcanzó una velocidad media en 10 minutos de 98km/h en la dirección OSO 12/11/89 sudestada Hora Velocidad media (km/h) Ráfagas (km/h) Dirección SSE SSE SSE SSE SSE SSE SSE S

13 Ciclón extratropical 23/8/2005

14 Tormentas convectivas severas Las tormentas convectivas se forman cuando aire húmedo e inestable se eleva por calentamiento desigual de la superficie terrestre, por enfriamiento de las capas superiores, por efectos del terreno, del encuentro con una masa de aire frío o por vientos convergentes en superficie

15 Tormentas convectivas severas Las tormentas que se intensifican van acompañadas comúnmente de precipitación de granizo de gran tamaño, chaparrones intensos y ráfagas violentas y producen corrientes descendentes intensas y eventualmente tornados

16 Corrientes descendentes Las corrientes descendentes producidas por nubes de tormenta impactan sobre el suelo, se explayan y producen velocidades elevadas en alturas del orden de hasta los 100 metros sobre el suelo Corriente descendente en EEUU

17 Corrientes descendentes Presentan escalas temporales de algunos minutos y escalas espaciales del orden de algunos kms La acción sucesiva de corrientes descendentes generadas por una tormenta severa suelen ocasionar daños sobre áreas del orden de los 100km 2

18 Corrientes descendentes Alta correlación en un plano horizontal, del orden de hasta varios km Registros en Texas, EEUU en torres separadas 263m en particular para las velocidades más intensas

19 Corrientes descendentes A diferencia de los flujos tipo Capa Límite Atmosférica presentan: Distribución de velocidad en altura con máximo entre 30 y 100m de altura

20 Tormentas convectivas severas Uruguay nuevamente está ubicado en la zona con mayor ocurrencia de tormentas convectivas severas en América del Sur Una de las razones es que el área recibe aire cálido y húmedo del Amazonas y del Paraná (desde el norte y noreste) y aire frío y seco en las capas superiores que atraviesan los Andes (del sur al suroeste) Montevideo

21 Tormentas convectivas severas Aire frío y seco superior Aire cálido y húmedo inferior

22 Corrientes descendentes Registro en Montevideo 8/7/1935 Vmáx horizontal: 200km/h (55 m/s) (a 10m de altura) Duración total: 5min V aumentó de 40km/h a 200km/h en menos de 2min (500%) V > 100km/h durante 4min V > 180km/h durante 1min Medida en Sayago

23 Tormentas convectivas severas En esta región: Periodo usual de ocurrencia: de octubre a marzo Dirección de las ráfagas más intensas: SO 80% entre la tarde y la noche Generalmente se mueven del SO al NE Velocidad de traslación: de 50 a 90km/h

24 Trayectorias de algunas tormentas convectivas N Línea B 500kV Palmar-Montevideo Línea A 500kV Palmar-Montevideo 100 km Localización de incidencias

25 Estudios específicos de daños por viento UTE (2001 a 2007) BSE La mayoría de estos eventos no quedaban registrados en estaciones meteorológicas convencionales (media de viento en 10 minutos) UTE (2001 a 2007) 10 eventos con ráfagas de viento de entre 90 km/h (25 m/s) y 145km/h (40 m/s) a 10m de altura en áreas cercanas a las líneas Palmar-Montevideo cada año varios eventos con ráfagas de 100km/h (27.8m/s) o más atraviesan las líneas

26 Estudios específicos de daños por viento BSE

27 Tormenta convectiva severa 10/3/2002 Un complejo convectivo de mesoescala en el Río de la Plata desarrolló un mesociclón, el cual se trasladó desde el SO, ingresando a Uruguay a través de su costa suroeste Corrientes descendentes violentas y al menos un tornado afectaron una franja de 15km de ancho por 60km de largo, 30km al norte de Montevideo Se midieron ráfagas de hasta 124 km/h, pero la velocidad del viento se calculó cercana a los 200 km/h en algunas zonas

28 Tormenta convectiva severa 10/3/2002

29 Tormenta convectiva severa 10/3/2002

30 Tormentas convectivas severas Aunque las tormentas convectivas severas desarrollan velocidades intensas en áreas de dimensiones significativamente menores que los ciclones extratropicales, su efecto interesa por ej.: - en blancos lineales, como líneas de alta tensión - en áreas de dimensiones significativas. Ej.: para seguros agropecuarios - cuando se deben diseñar estructuras críticas (V de diseño elevadas)

31 Análisis de información periodística En los últimos 5 años: 65 eventos de viento extremo produjeron daños en el país, incluyendo 9 tornados Ocurrieron al menos dos ciclones extratropicales con ráfagas de 97 km/h (27m/s) y 117 km/h (33 m/s) a 10m de altura, afectando cerca de la tercera parte del territorio, sobretodo la costa sudeste La gran mayoría de los eventos informados correspondió a la ocurrencia de tormentas convectivas severas 90% de los eventos informados superaron ráfagas de 90 km/h (25m/s) y 10 %, de 120 km/h (33.3 m/s) (a 10m de altura) Uráf 90m / Uráf 10m 1.25 para corrientes descendentes 1.35 para flujo tipo CLA U10min 90m / Uráf 10m 1 para flujo tipo CLA

32 Análisis de información periodística En el periodo estudiado, la máxima ráfaga informada fue de 145 km/h (40m/s) (a 10m de altura) Cerca de la mitad de los eventos identificados afectó un solo departamento del país cerca del 20% de los eventos afectaron zonas de 2 departamentos 15% de los eventos afectaron zonas de 3 departamentos Las dimensiones de las áreas afectadas fueron muy variables, algunas presentaron vientos intensos muy localizados La intensidad de los daños variaba con la ubicación

33 Estadística de vientos extremos de Uruguay La dada por la norma UNIT (utilizando ráfagas de viento medidas en una exposición no estándar de 1906 a 1970 y suponiendo distribución de probabilidad de tipo Frechet) Análisis de 35 años de datos horarios entre 1960 a 2009 de velocidades medias en 10 minutos medidas en el aeropuerto de Carrasco y suponiendo distribución de probabilidad de tipo Gumbel (Durañona, 2012)

34 Estadística de vientos extremos de Uruguay Un estudio previo estadístico realizado a los máximos de las velocidades medias en 10 min de la dirección OSO (para Carrasco) (Durañona y Perera, 2003) dio como resultado una distribución de tipo Gumbel (tipo I) Al igual que otros estudios regionales y normas de acción del viento sobre estructuras más actuales

35 Estadística de vientos extremos de Uruguay Distribución de probabilidad de tipo Frechet (tipo II) F(u) = e ( 1 k y) 1 k k 0 Distribución de probabilidad de tipo Gumbel (tipo I) F(u) ( y e ) = e k = 0 donde y = u µ σ en ambos casos

36 Aplicación a selección de aerogeneradores Vref (m/s) a altura del eje del aerogenerador (según norma IEC , V10min con 50 años de periodo de retorno): Vref (m/s) Clase de aerogenerador I II III V10min (m/s) con 50 años de periodo de retorno a altura z (m) Fuente\ z (m) UNIT (V10min) 35 a a 45 Carrasco (V10min) 29 a a 43 Corr. descendente (V2min con 5 años de periodo de retorno) datos de Prado Corr. descendente (V2min medida en Sayago) 39 64

37 Aplicación a selección de aerogeneradores Modelo de corriente descendente utilizado Chay, M.T., Albermani,F., Hawes,H., Wind loads on transmission line structures in simulated downbursts [ ] Trans r r c c Z Z c Z Z c t r r U e e e e e r r U r z U t r r + =Π α α 2 1,max ), ( Z Z m r t U r U r, max U z r

38 Aplicación a selección de aerogeneradores Vref (m/s) a 90m de altura (según norma IEC , V10min con 50 años de periodo de retorno): Fuente \ speed-up UNIT a a a 77 Carrasco a a a 73 Corr. descendente (con igual V a 10m) 41 a a a 81 Clase de aerogenerador con eje a 90m de altura (según norma IEC ) Fuente \ speed-up UNIT II - I I I Carrasco III - II I I Corr. descendente (con igual V a 10m) II - I I I

39 Conclusiones Velocidades desarrolladas por ciclones extratropicales pueden: sacar de funcionamiento a todo un parque eólico ocasionar daños en aerogeneradores afectar distintos parques ubicados en su área de pasaje Velocidades desarrolladas por tormentas convectivas (corrientes descendentes) pueden: sacar de funcionamiento rápidamente a todo un parque eólico o gran parte de él ocasionar daños en aerogeneradores afectar distintos parques ubicados en su trayectoria

40 Conclusiones Clase de aerogenerador muy dependiente de la estadística de extremos considerada: sería necesario analizar dicha estadística con mayor rigurosidad fuera de Montevideo Puede ser necesario considerar la probabilidad de que una corriente descendente impacte en un parque eólico: sería necesario analizar dicha probabilidad para distintas zonas del país, caracterizar las velocidades desarrolladas, su perfil en altura, su relación V3s / V 10min interesaría también estudiar los factores de speed-up correspondientes cuando éstas ocurren en terrenos de topografía compleja

41 Conclusiones Se están manejando también otras herramientas como: el modelo regional WRF (Weather Research Forecast) modelos de circulación general (como condición de contorno) que también permitirían profundizar en el estudio de vientos extremos Se tiene implementado un modelo operativo y se está trabajando en la asimilación continua de datos meteorológicos a nivel local

42 Muchas gracias por la atención!