clima de vientos extremos de uruguay y su efecto en la...

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

− y tormentas convectivas severas

Clima de vientos extremos en Uruguay

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


� 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


Vientos fuertes del cuadrante suroeste Vientos fuertes del cuadrante sureste

(situación sinóptica típica durante una

sudestada)


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)


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


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


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


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


� 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


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


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)


Aire frío y seco superior

Aire cálido y húmedo inferior



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


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

Estudios específicos de daños por viento

� BSE

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

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)


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


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


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):


� 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


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

Muchas gracias por la atención!

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