Post on 09-Apr-2018
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 2012
15 de junio – Sala de Actos del LATU
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
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)
U
Ciclones extratropicales
� La distribución de velocidad en altura suele ser de tipo Capa Límite
Atmosférica (CLA)
( ) Lr
o
zzzz
d-zL
κ
uzU <<
⋅= ∗
n
=
ref
refz
zUU(z) δzzL <<
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
Ciclones extratropicales
Vientos fuertes del cuadrante suroeste Vientos fuertes del cuadrante sureste
(situación sinóptica típica durante una
sudestada)
Ciclones extratropicales
Las máximas velocidades provienen usualmente del
cuadrante sureste-suroeste
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
Ciclón extratropical 23/8/2005
Tormenta del 23 de agosto - ANP pasada a exposición Carrasco
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 720 1440 2160 2880
Horas
Vel 10min (km/h)
0
45
90
135
180
225
270
315
360
Vel 10min (km/h)
Vel Carrasco (km/h)
(patm -pmin)*10 (mbar)
Dir (º)
dir(º)
(patm-
pmin).10
(mbar)
23/8 24/8
N
S
E
SE
SO
O
NO
NE
N
12 241224
Velocidades promedio en 10 minutos de Carrasco (DNM) y ANP,
comparadas suponiendo flujo tipo CLA (Capa Límite Atmosférica)
Ciclón extratropical 23/8/2005
Tormenta del 23 de agosto - ANP pasada a exposición Carrasco
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 720 1440 2160 2880Horas
0
45
90
135
180
225
270
315
360
Ráfagas (km/h)
Ráf Carrasco (km/h)
(patm -pmin)*10 (mbar)
Dir (º)
dir(º)
(patm-
pmin).10
(mbar)
23/8 24/812 241224
N
S
E
SE
SO
O
NO
NE
N
Velocidades de ráfaga comparadas de Carrasco (DNM) y ANP,
suponiendo flujo tipo CLA
Ciclón extratropical 23/8/2005
Tormenta 23/8 DNM 10m de altura
0
45
90
135
180
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
Horas
Vel 10min (km/h)
0
45
90
135
180
225
270
315
360
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)
N
E
O
S
N
NO
SO
24/823/8
dir (º)
NE
SE
01 0706040302 1110090805
Velocidades promedio y ráfagas a 10m de altura en diferentes estaciones
Ciclón extratropical 23/8/2005
DNM, estación
meteorológica de
Carrasco
entre las 21 y las 22 se alcanzó una velocidad media en 10 minutos de 98km/h
en la dirección OSO
23/8/05 – 24/8/05
Hora 20 21 22 23 0 1 2 3
Velocidad
media (km/h)56 74 89 78 81 74 74 56
Ráfagas (km/h) 74 102 113 102 111 93 93 74
Dirección O SO OSO OSO SO OSO OSO SO
12/11/89
Hora 3 4 5 6 7 8 9 10
Velocidad
media (km/h)83 102 93 102 102 102 93 83
Ráfagas (km/h) 111 102
Dirección SSE SSE SSE SSE SSE SSE SSE S
Otros ciclones extratropicales
Ejemplos
“sudestada”
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
Tormentas convectivas severas
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
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
Corrientes descendentes
� Presentan escalas temporales de algunos minutos
Corrientes descendentes
� 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 100km2
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
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
Una de las razones es que el área
recibe aire cálido y húmedo del
Amazonas y del Paraná (desde el
norte y noreste)
Uruguay nuevamente está ubicado en la zona con mayor
ocurrencia de tormentas convectivas severas en América del
Sur
Montevideo
y aire frío y seco en las
capas superiores que
atraviesan los Andes (del sur
al suroeste)
Tormentas convectivas severas
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
� Periodo usual de ocurrencia: de octubre a
marzo
� 80% entre la tarde y la noche
� Dirección de las ráfagas más intensas: SO
� Generalmente se mueven del SO al NE
Tormentas convectivas severas
En esta región:
� Velocidad de traslación: de 50 a 90km/h
Trayectorias de algunas tormentas convectivas
Localización de incidencias
N
100 km
Línea A 500kV Palmar-Montevideo
Línea B 500kV Palmar-Montevideo
Estudios específicos de daños por viento
� UTE (2001 a 2007) La mayoría de estos eventos no
quedaban registrados en estaciones
meteorológicas convencionales
(media de viento en 10 minutos)
� 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
� BSE
� UTE (2001 a 2007)
�cada año varios eventos con ráfagas de 100km/h (27.8m/s)
o más atraviesan las líneas
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
Tormenta convectiva severa 10/3/2002
� 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)
Tormentas convectivas severas
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
Análisis de información periodística
� 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
� En el periodo estudiado, la máxima ráfaga informada fue
de 145 km/h (40m/s) (a 10m de altura)
� Las dimensiones de las áreas afectadas fueron muy variables, algunas
presentaron vientos intensos muy localizados
� La intensidad de los daños variaba con la ubicación
Estadística de vientos extremos de
Uruguay
• 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)
• La dada por la norma UNIT 50-84 (utilizando ráfagas de viento
medidas en una exposición no estándar de 1906 a 1970 y
suponiendo distribución de probabilidad de tipo Frechet)
� 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
Estadística de vientos extremos de
Uruguay
• Distribución de probabilidad de tipo Gumbel (tipo I)
• Distribución de probabilidad de tipo Frechet (tipo II)
( )0keF(u)
ye == −
( ) 0keF(u)k
1yk1 ≠= ⋅−−
σ
µuy
−=donde en ambos casos
Estadística de vientos extremos de
Uruguay
Aplicación a selección de aerogeneradores
Vref (m/s) 50 42.5 37.5
Clase de aerogenerador I II III
� Vref (m/s) a altura del eje del aerogenerador
Fuente\ z (m) 10 90
UNIT 50-84 (V10min) 35 a 36 42 a 45
Carrasco 1960-2009 (V10min) 29 a 31 37 a 43
Corr. descendente (V2min con 5 años de
periodo de retorno) – datos de Prado 28 46
Corr. descendente (V2min medida en
Sayago) 39 64
� V10min (m/s) con 50 años de periodo de retorno a altura z (m)
(según norma IEC 61400-1, V10min con 50 años de periodo de retorno):
Aplicación a selección de aerogeneradores
� Modelo de corriente descendente utilizado
Chay, M.T., Albermani,F., Hawes,H., 2006. Wind loads on transmission
line structures in simulated downbursts
[ ] Trans
r
r
cc
ZZc
ZZc
t
r
rUe
ee
ee
r
rUrzU
t
rr
+−
−
Π=
−
α
α
2
1
max,
2
2
21
21
..
),(
Z Zm
rt
Ur Ur, max
Uz
r
Aplicación a selección de aerogeneradores
Fuente \ speed-up 1 1.5 1.7
UNIT 50-84 42 a 45 63 a 68 71 a 77
Carrasco 1960-2009 37 a 43 55 a 64 63 a 73
Corr. descendente
(con igual V a 10m) 41 a 48 61 a 72 70 a 81
� Vref (m/s) a 90m de altura (según norma IEC 61400-1,
V10min con 50 años de periodo de retorno):
Fuente \ speed-up 1 1.5 1.7
UNIT 50-84 II - I I I
Carrasco 1960-2009 III - II I I
Corr. descendente
(con igual V a 10m) II - I I I
� Clase de aerogenerador con eje a 90m de altura (según norma IEC 61400-1)
Conclusiones
� 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
� 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
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
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