ESTUDIO DE EVALUACIÓN DEL RECURSO EÓLICO Y PROYECTO DE INGENIERÍA BÁSICO DE UN PARQUE EÓLICO EN TIERRA EN ESPAÑA Autor: Cortés Sanz, Natalia. Director: Alonso Alonso, Consolación. Entidad colaboradora: Gas Natural Fenosa Engineering.

RESUMEN DEL PROYECTO 1.

Introducción

En este proyecto se detalla el estudio de evaluación del recurso eólico y proyecto de ingeniería básico del parque eólico de Dueñas en Valladolid. Se lleva a cabo la caracterización y modelación física del recurso eólico mediante los programas Windographer y WASP respectivamente. A su vez, se describe el diseño básico de la infraestructura de obra civil e instalaciones eléctricas de generación en Baja Tensión y Media Tensión y subestación eléctrica mt/at. 2.

Metodología

En primer lugar se lleva a cabo la caracterización del viento y la simulación espacial del mismo. Se utiliza datos de viento procedentes de una estación de medición del recurso eólico real instalada en el municipio de Castromonte. En primer lugar, se lleva a cabo un análisis estadístico descriptivo de los datos obtenidos por dicha estación mediante un programa llamado Windographer donde se obtienen los parámetros que caracterizan el recurso eólico. La rosa de frecuencia muestra que la dirección predominante del viento es al NE, la rosa de velocidades muestra que la velocidad media alcanzada es de 6,12 m/s y la rosa de energía representa la dirección de mayor contenido energético al WSW. A continuación, se obtiene la distribución espacial del campo de vientos mediante el análisis tridimensional del flujo de vientos y ,por último, tiene lugar el análisis energético del emplazamiento. La evaluación de la producción media anual del parque se ha realizado para tres alternativas tecnológicas distintas:

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- Gamesa (española) G97, 2MW de potencia nominal unitaria y 100 metros de altura de buje (potencia eléctrica bruta de 36 MW). - Vestas (danesa) V90 2MW de potencia nominal unitaria y 105 metros de altura de buje (potencia eléctrica bruta de 36 MW). - Siemens (alemana) SWT113 de 2,3 MW de potencia nominal unitaria y 100 metros de altura de buje (potencia eléctrica bruta de 36,8 MW). Suponiendo una productividad del parque del 100 % y unas pérdidas totales de 84,64%, desde el punto de vista tecnológico la mejor máquina a instalar en el parque eólico es la Siemens S113 de 2,3 MW de potencia unitaria y altura de buje de 100 metros. Los aerogeneradores se conectarán entre sí a través de los correspondientes conductores enterrados y cabinas de entrada-salida de línea de forma que se constituirán dos líneas de generación en 30 kV, las cuales se tenderán soterradas en zanja hasta la subestación del parque eólico. El entronque con la red eléctrica de transporte se efectuará a través de una línea eléctrica aérea de 220 kV, que partiendo de la subestación del parque eólico, lo conectará con la subestación de La Mudarra, propiedad de Red Eléctrica. Los aerogeneradores transforman la energía del viento en energía eléctrica de baja tensión, la cual se vierte a la red eléctrica general mediante un conjunto de infraestructuras eléctricas que previamente la transforman a la tensión adecuada y la transportan hasta el punto de interconexión con la red. Igualmente, es necesario para la implantación de un parque eólico un conjunto de obras civiles que hacen posible la instalación y funcionamiento de los aerogeneradores. 1. OBRA CIVIL Para poder llevar a cabo el diseño de la obra civil del parque eólico y del edificio de control y subestación se realiza un levantamiento topográfico del terreno. La obra civil del parque comienza con el desbroce del terreno donde se ubican las diferentes infraestructuras y la ejecución de los caminos de acceso a los aerogeneradores. El acceso al parque se realiza aprovechando caminos existentes, por lo que se podrá acceder por la carretera comarcal VA-515 (antigua C-611) que une las localidades de Valverde de Campos y Castromonte, en un punto situado a unos 500 m al sur de la localidad de Valverde de Campos. Los caminos internos a las líneas de aerogeneradores son de entre 5-6 metros de anchura con una

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pendiente máxima de los caminos del 10 % y radios de curvatura de entre 35 y 50 metros. A continuación se ejecutan las cimentaciones de los aerogeneradores. Consiste en una zapata de planta circular, de 17 m de diámetro exterior y un canto variable entre 0.90m en el borde exterior a 2 m de canto en el interior. En paralelo se empieza con el movimiento de tierras de las plataformas de montaje que se construye adyacente a cada cimentación. Una vez avanzados estos dos últimos pasos se dispone a la apertura de zanjas para tendido de conductores: cables de media tensión (30kV), fibra óptica y baja tensión o red de tierras. Se instalarán enterrados en zanja y van conectando los aerogeneradores entre sí y éstos con la subestación eléctrica y el edificio de control. Al margen de la obra civil del parque eólico se realiza la obra civil del edificio de control y la parte intemperie de la subestación. El edificio de control del parque de una única planta rectangular con unas dimensiones de 18 x 11 m en planta y 3 m de altura libre, se ubicará en un mismo edificio con la parte cubierta de la subestación. Los equipos eléctricos de alta tensión se ubican en la parte exterior de la subestación anexa al edificio de control. 2. INFRAESTRUCTURA ELÉCTRICA El siguiente paso es el diseño de las instalaciones de generación de energía eléctrica de baja y media tensión así como las instalaciones eléctricas de alta tensión. Se comienza con el sistema eléctrico de baja y media tensión que engloba la red de baja tensión que incluye el aerogenerador, los centros de transformación interior de los aerogeneradores y los conductores de media tensión, de fibra óptica y el cable de red de tierras. La energía eléctrica generada por los aerogeneradores del parque se eleva a 30kV mediante un centro de transformación 0,69/30kV y es recogida por las líneas de generación que la evacuan hacia el transformador de potencia de mt/at a través de las cabinas de generación que aíslan o protegen tanto el transformador como las líneas de generación.

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Se instalarán dos cabinas de generación puesto que se proyectan dos circuitos que van uniendo eléctricamente los aerogeneradores del parque mediante las correspondientes cabinas o celdas de media tensión. Un circuito está constituido por 9 aerogeneradores que se divide a su vez en dos grupos de 2 y 7 aerogeneradores. El otro circuito lo forman 7 aerogeneradores dividido en dos grupos de 1 y 6 aerogeneradores. Se emplean 16 celdas de 36 kV con un interruptor comercial cada una de intensidad nominal de 400 A, mientras que las dos cabinas de media tensión de la subestación son de 630 A. Las máquinas A02, A09, A10, A15 yA16 tendrán celdas 0L + 1V; A01, A03-A08 y A11-A13, celdas tipo 0L + 1L + 1P y el A14, celda tipo 0L + 2L + 1P. Según los resultados obtenidos de los cálculos eléctricos mediante la herramienta Power Window Tools, se han elegido cables de media tensión de Aluminio RHZ1 OL, de nivel de aislamiento 18/30 kV, sección 3x(1x240) y 3x(1x400) mm² en aislamiento XLPE para la interconexión con la subestación de 30 Kv y posterior conexión con el transformador elevador. La trasmisión de señales al ordenador central del edificio de control se realizará con cables de fibra óptica multimodo 50/125 µm. A continuación se lleva a cabo la instalación de baja tensión en el aerogenerador siguiendo las prescripciones del fabricante. La instalación de puesta a tierra de cada aerogenerador se hace con cable de cobre de 50 mm2 y una red de tierras única es creada para unir la puesta a tierra de cada uno de los aerogeneradores con la red de tierras de la subestación con cable de 1x95 mm2 desnudo. A continuación se diseña la subestación eléctrica, una instalación en dónde se recoge la energía generada por el parque eólico y la transforma en alta tensión mediante un transformador de potencia elevador para enviarla a la red. La configuración utilizada es la de simple barra. La parte de la subestación ubicada dentro del edificio de control (sistema de media tensión) se compone de dos cabinas media tensión formadas por interruptores automáticos e interruptores-seccionadores de 630 y 1250 A e interruptoresseccionadores asociados a fusibles de 200 A; un transformador de servicios auxiliares (SS.AA.) de 30/0,4 kV, de potencia de 100 kVA, tensión de aislamiento de 36 kV y grupo de conexión Dyn11; un cuadro de servicios auxiliares (SS.AA.) Página 4

de 30.000/400-230 V; dos equipos rectificador-batería de 125 Vcc y 48 Vcc de corriente continua y un grupo electrógeno formado por un motor y un generador trifásico de 400/230 V A50 Hz. El sistema de alta tensión se aloja en el exterior (intemperie). Está equipada con la siguiente aparamenta: 

Un transformador de potencia 220±8x1,125 %/30 kV, 45 MVA.



Un interruptor automático tripolar.



Un seccionador tripolar giratorio con cuchillas de puesta a tierra.



Nueve autoválvulas (seis autoválvulas de 220 kV y tres autoválvulas de 30 kV).



Seis transformadores de medida (tres de intensidad y tres de tensión inductivos).

3. Conclusión El parque eólico de Dueñas estará constituido por 16 aerogeneradores Siemens SWT113 de 2,3 MW de potencia unitaria y 36,8 MW de potencia eléctrica bruta. El presupuesto de ejecución del proyecto del Parque Eólico de Dueñas asciende a treinta y tres millones trescientos cuarenta y cuatro mil trescientos cincuenta y siete euros con cincuenta y cinco céntimos (33.344.357,55 €) Las medidas de rentabilidad muestran que el proyecto es viable desde el punto de vista económico considerando tanto el escenario del anterior sistema de primas como el sistema de nuevo mercado. VAN (k€/)

TIR (%)

ESCENARIO ANTIGUO

41.162

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ESCENARIO NUEVO

3.067

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STUDY OF WIND RESOURCE ASSESSMENT AND BASIC ENGINEERING PROJECT OF A WIND FARM LAND IN SPAIN Author: Cortés Sanz, Natalia. Director: Alonso Alonso, Consolación. Collaborating organization: Gas Natural Fenosa Engineering.

PROYECT SUMMERY 3.

Introducción

In this project, it is described the study of wind resource assessment and basic engineering project of the wind farm Dueñas in Valladolid. It performs the characterization and physical modeling of wind resource through Windographer and WASP programs respectively. In turn, the basic design of civil engineering infrastructure and power generation facilities in low voltage and medium voltage electrical substation and mt / at is described.

4.

Metodología

Firstly, the wind characterization and the spatial simulation are carried aout. Wind data from a real measurement station installed wind resource in the town of Castromonte is used. A descriptive statistical analysis of the data from this station through a program called Windographer where the parameters characterizing the wind resource obtained is performed. The frequency rose shows that the predominant wind direction is NE, rose speeds shows that the average speed is 6.12 m / s and energy rose represents the direction of higher energy content to WSW. Next, the spatial distribution of wind field by analysis of three-dimensional wind flow is obtained and, finally, the energy analysis of the location takes place. The evaluation of the average annual production of the park was made for three different technological alternatives: - Gamesa (Spanish) G97 2MW unit rated power and 100 meters hub height (gross electrical output of 36 MW).

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- Vestas (Danish) V90 2MW unit nominal power and 105 meters hub height (gross electrical output of 36 MW). - Siemens (German) SWT113 2.3 MW of rated power and 100 meters hub height (gross electrical output of 36.8 MW). Assuming productivity of 100% and total losses of 84.64%, from the technological point of view the best machine to be installed at the wind farm is the Siemens S113 2.3 MW of rated power and hub height of 100 meters. The turbines will be connected to each other through the corresponding conductors buried and cabins so that two lines of 30 kV generation to be constituted, which will be laid underground trench to the wind farm substation. The junction with the electrical transmission network shall be made through an overhead power line of 220 kV, which starts at the wind farm substation; the substation will connect La Mudarra, owned by Red Eléctrica. Wind turbines convert wind energy into low voltage electricity, which is discharged into the electricity grid through a set of electrical infrastructure previously transform to the proper voltage and transported to the point of interconnection with the network. Similarly, it is necessary to implement a wind farm a set of civil works that allow the installation and operation of wind turbines. 1. CIVIL WORKS To carry out the civil works design of the wind farm and substation control building and, a topographic survey of the field is performed. The civil work begins with the clearing of the land where the various infrastructures and the implementation of the access roads to the turbines are located. Access to the wind farm takes advantage of existing roads, so it can be accessed by the VA-515 road that connects the towns of Valverde de Campos and Castromonte at a point located approximately 500 m south of the town of Valverde de Campos. The internal roads to the lines of wind turbines are between 5-6 meters wide with a maximum gradient of 10% roads and a curvature of between 35 and 50 meters. Next, the foundations of the turbines are running. It consists of a circular base of 17 m outside diameter and variable depth between 0.90m at the outer edge to 2 m deep in the interior.

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In parallel, it begins the earth-moving mounting platforms being built adjacent to each foundation. Advanced these two steps are available to trenching for stringing conductors: Medium Voltage (30kV) and low voltage fiber optic network or land. Be installed and buried in trench connecting the turbines go together and these with the electrical substation and control building. Next, the wind farm civil works of the control building and weathering of the substation is performed. The control building of the wind farm has a unique rectangular level with dimensions of 18 x 11 m in plan and 3 m in height, will be located in the same building with the covered part of the substation. The high voltage electrical equipment is located on the outside of the building attached to the substation control. 4. ELECTRICAL INFRASTRUCTURE The next step is the design of facilities generating electricity from low and medium voltage electrical installations and high voltage. It begins with the electrical system of low and medium voltage encompassing the low voltage network which includes the turbine, the centers of inner transformation of wind turbines and medium voltage conductors, fiber optic cable network and land. The electricity generated by wind turbines rises to 30kV via a transformer 0.69 / 30kV and is collected by the lines of generation that evacuated to the transformative power of mt / at through booths generation that isolate or protect both the transformer and generation lines. Generating two cabins will be installed as two circuits that electrically connecting the turbines through appropriate cabins or medium voltage switchgear project. A circuit is formed by nine wind turbines to be subdivided into two groups of 2 to 7 turbines. The other circuit is formed by seven turbine divided into two groups of 1 to 6 turbines. Sixteen cells of 36 kV with a commercial switch each rated current of 400 A are used, while the two cabins medium voltage substation is 630 A. The machines A02, A09, A10, A15 yA16 will 0L + 1V; A01, A03-A08 and A11-A13, type 0L 1L + 1P and A14 , cell type 2L 0L + + 1P. According to the results of electrical calculations using the tool Power Window Tools, medium voltage cables Aluminum RHZ1 OL of isolation level 18/30 kV, Página 8

section 3x (1x240) and 3x (1x400) mm² XLPE insulation were chosen for interconnection with 30 kV substation and subsequent connection to the transformer. The transmission of signals to the central control computer in the building will be made with multimode fiber optic cable 50/125 µm. Following the manufacturer's specifications, the installation of the wind turbine low voltage is carried out. Installation of grounding each wind turbine is made with copper wire 50 mm2 and a network of unique land is created to connect the grounding each of the wind turbines with the grounding grid of the substation with cable 1x95 mm2 of bare. Then the electrical substation, a facility where the energy generated by the wind farm is collected and converted into high voltage by a transformer power lift to send to the network is designed. The configuration used is the simple rod. The part of the substation located within the building control (medium voltage system) consists of two cabins average voltage circuit breakers and formed by switch-disconnectors from 630 and 1250 A switch-disconnectors and fuses associated with 200 A; transformer auxiliary services (SS.AA.) 30/0, 4 kV, 100 kVA power, insulation voltage of 36 kV and connection group Dyn11; a box of auxiliary services (SS.AA.) of 30.000/400-230 V; two rectifier-battery equipment of 48 Vcc and 125 Vcc DC current and a generator consisting of a motor and a generator three phase 400/230 V A50 Hz The high voltage system is housed on the outside (outdoors). It is equipped with the following switchgear: 

A power transformer 220 ± 8x1, 125% / 30 kV, 45 MVA.



A circuit breaker pole.



A pole rotary switch with grounding blades.



Nine automatic valves (six 220 kV surge arresters surge arresters and three 30 kV).



Six transformers (three current and three inductive voltage).

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5. Conclusión Dueñas wind farm will consist of 16 wind turbines SWT113 Siemens 2.3-MW and 36.8 MW of gross electrical power. The budget execution Dueñas Wind Farm project is thirty-three millions three hundred forty-four thousand three hundred fifty-seven euros and fifty-five cents (€ 33,344,357.55) The measures of profitability show that the project is feasible from an economic standpoint, considering both the previous stage bonus system as and the new market system. VNA (k€/)

TIR (%)

OLD STAGE

41.162

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NEW STAGE

3.067

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