Para acceder a los documentos con el texto completo, por favor, siga el siguiente enlace: http://hdl.handle.net/2099.1/26308

Intelligent Data Analysis of Wind Profiles;
Anàlisis de datos inteligente de perfiles del viento;
Anàlisi de dades intel·ligent de perfils del vent
Aguilera Sarez, Raúl
Universitat Politècnica de Catalunya. Departament d'Enginyeria Electrònica; Bermejo Sánchez, Sergi
Analysis of wind profiles using statistical processing techniques
[ANGLÈS] Wind is a renewable energy source with an increasing industry during the last decade. To stablish the best location to install the wind farms that allow obtaining this kind of energy, the remote sensing devices are becoming important to create a wind profile of the area. LiDARs (Light Detection And Ranging) allow doing this detection using a laser that, configured at a concrete height, provides measurements of the direction and horizontal and vertical speeds of the wind. If they are compared to mechanical detection techniques previously used – based in anemometers installed in masts at a fixed height – LiDARs allow more flexibility in the number of heights to obtain measurements and, as minimum installation works are required, they also allow an easy location change. Obtaining a wind profile with anemometers becomes especially difficult when the area is offshore, where better conditions for obtaining wind energy are often found. The installation of masts several kilometers away of the coast is expensive and costly, therefore the usage of remote sensing devices is really interesting. To evaluate the performance of LiDAR to create wind profiles in these areas, comparison tests between the two technologies have been performed, like Horns Rev experiments, showing similar results between them in the average measurements at the same height and with the theoretical projections according to Charnock’s models at higher heights. LiDARs can also be easily installed on a bouy, allowing practically full flexibility to choose the location offshore and reducing drastically any associated installation cost. It will be necessary then to determine the effect of the motion the LiDAR will be submitted to the direction, horizontal speed and vertical speed of the wind. Arriving to this point, it is necessary differentiate two kinds of LiDAR, continuous-wave and pulsed-wave. Evaluating the advantages and disadvantages of these two technologies, it can be observed that continuous-wave LiDARs could maintain more easily the precision in the measurements when the device is moving. In this project two continuous-wave ZephIR® LiDAR have been used to evaluate the measurement errors between a static and a moving LiDAR one close to the other. In addition, the motion of the moving LiDAR should emulate the motion expected when installed on a buoy, thus a cardan frame capable of generating yaw, pitch and roll movements with different angles and oscillation periods combined or separated has been used to be able to determinate the effect in each of the measurement of the components which define the wind profile. It results interesting obtaining as a conclusion that the measurement method used by the ZephIR®, with fifty measurements in each configured height, make the errors produced in every single measurements of the horizontal wind speed to be compensated when weighted either in high resolution (one measurement every 3s) or ten minutes averaged data. Although pitch is the motion that produces the worst results in correlation, offset and bias, when we observe the ten minutes averaged data, correlation is close to 1 and offset and bias are almost zero. On the other hand, when the results regarding wind direction are analyzed, it is necessary to take into account the ambiguity of ZephIR® produced by the lack of an offset reference in the direction measurement. Even though, with free cardanic motion and ten minutes average data, correlation is still close to 1 and offset and bias are near zero with a maximum and minimum value around -7° and 7°. A motion continuous-wave ZephIR® LiDAR can provide precise ten minutes average data measurements without any motion compensation. In the case of vertical wind speed and wind direction, they are more affected by the ambiguity in the wind direction than by the motion applied to the device.
[CASTELLÀ] El viento es una fuente de energía renovable con una industria creciente durante la última década. Para establecer la mejor ubicación para instalar los parques eólicos que permiten obtener este tipo de energía, se están abriendo paso dispositivos que permiten hacer medidas remotas para crear un perfil del viento de la zona. Los LiDAR (Light Detection And Ranging) permiten llevar a cabo esta detección utilizando un láser que, configurado a la altura deseada, proporciona medidas de la dirección y las velocidades horizontal y vertical del viento. Si lo comparamos con las técnicas de detección mecánicas utilizadas anteriormente (basadas en anemómetros instalados en postes a una altura determinada), los LiDAR permiten una mayor flexibilidad en el número de alturas diferentes en las que obtener medidas y, como necesitan obras de instalación mínimas, también permiten el cambio de ubicación de forma sencilla. Obtener un perfil del viento con anemómetros se vuelve especialmente complicado cuando se trata de zonas situadas en alta mar, donde a menudo se pueden dar mejores condiciones para la obtención de energía eólica. La instalación de postes a algunos kilómetros de la costa es cara y costosa, así que el uso de instrumentos de medida remota resulta realmente interesante. Con objeto de evaluar la eficacia de los LiDAR para crear perfiles del viento en estas zonas, se han llevado a cabo tests comparativos entre las dos tecnologías como los efectuados en Horns rev, mostrando unos resultados similares entre sí en las medidas medias a la misma altura y con las proyecciones teóricas según el modelo de Charnock de las medidas a alturas superiores. Los LiDAR además se pueden instalar físicamente en una boya, permitiendo una flexibilidad prácticamente total para elegir la ubicación en alta mar y reduciendo drásticamente cualquier coste de instalación asociado. Será necesario entonces establecer qué efecto tiene el movimiento al que estaría sometido el LiDAR flotante sobre las medidas de la dirección, velocidad horizontal y velocidad vertical del viento. Llegados a este punto, es necesario distinguir dos tipos de LiDAR diferentes, los LiDAR de laser continuo y los de laser pulsado. Evaluando las ventajas e inconvenientes de estas dos tecnologías, se puede observar que los LiDAR basados en laser continuo pueden mantener más fácilmente la precisión en las medidas cuando el dispositivo se mueve. En este proyecto, se han utilizado dos LiDAR ZephIR® de laser continuo para evaluar el error entre las medidas de un LiDAR estático y un LiDAR en movimiento próximos el uno del otro. Además, el movimiento al que se ha sometido el LiDAR tenía que emular el movimiento que cabría esperar que experimentaría el LiDAR sobre la boya, así que se ha utilizado un bloque cardánico capaz de generar movimientos de guiñada, cabeceo y balanceo con diferentes amplitudes de ángulo y periodos de oscilación por separado o combinados de forma que sea posible separa el efecto sobre las medidas de cada uno de los componentes que caracterizan el perfil del viento. Resulta interesante ver como conclusión que el método de medida utilizado por el ZephIR®, con cincuenta mediciones para cada altura configurada, hace que los errores producidos en cada medida individual de la velocidad horitzontal del viento queden compensados al ponderarlas tanto en alta resolución (una medida cada 3 s) como para las medidas promediadas cada diez minutos. Aunque el movimiento que mayor error introduce es el de cabeceo, produciendo los peores resultados en cuanto a correlación, desajuste y sesgo, en el caso de las medidas promediadas cada diez minutos las correlaciones están cercanas a la unidad y el desajuste y el sesgo son prácticamente cero. En cambio, cuando se analizan los resultados sobre la dirección del viento se debe tener en cuenta la ambigüedad que sufre el ZephIR® al no aplicar una referencia en el sentido de la dirección del viento. A pesar de todo, con movimiento cardánico libre y medidas promediadas cada diez minutos, la correlación continua próxima a 1 y el desajuste es cercano a cero en media con unos valores máximos y mínimos de error alrededor de los -7° y 7°. Un ZephIR® LiDAR de onda continua en movimiento puede dar medidas promediadas cada diez minutos precisas de la velocidad horizontal del viento sin ningún tipo de compensación de movimiento. En el caso de la velocidad vertical y la dirección del viento, están más afectadas por la ambigüedad en el sentido de la dirección que por el movimiento aplicado al dispositivo.
[CATALÀ] El vent és una font d’energia renovable amb una industria creixent durant l’última dècada. Per establir la millor ubicació per instal·lar els parcs eòlics que permeten obtenir aquest tipus d’energia, s’estan obrint pas dispositius que permeten fer mesures remotes per crear un perfil del vent de la zona. Els LiDAR (Light Detection And Ranging) permeten fer aquesta detecció utilitzant un làser que, configurat a l’alçada desitjada, proporciona mesures de la direcció i les velocitats horitzontal i vertical del vent. Si ho comparem amb les tècniques de detecció mecàniques utilitzades anteriorment (basades en anemòmetres instal·lats en un pal a una alçada determinada) els LiDAR permeten una major flexibilitat en el nombre d’alçades diferents en les que obtenir mesures i, com que necessiten obres d’instal·lació mínimes, també permeten canviar la ubicació fàcilment. Obtenir un perfil del vent amb anemòmetres es torna especialment complicat quan es tracta de zones situades a alta mar, on sovint es poden donar condicions millors per a la obtenció d’energia eòlica. La instal·lació de pals a alguns kilòmetres de la costa és cara i costosa, així que la utilització d’instruments de mesura remota resulta realment interessant. Per avaluar l’eficàcia dels LiDAR per crear perfils del vent en aquestes zones, s’han dut a terme tests comparatius entre les dues tecnologies com els efectuats a Horns Rev, mostrant uns resultats similars entre sí en les mesures mitjanes a la mateixa alçada i amb les projeccions teòriques segons el model de Charnock de les mesures dels anemòmetres a alçades superiors. Els LiDAR a més es poden instal·lar físicament en una boia, permetent una flexibilitat pràcticament total per escollir la ubicació a alta mar i reduint dràsticament qualsevol cost d’instal·lació associat. Serà necessari llavors establir quin efecte té el moviment al que estaria sotmès el LiDAR flotant sobre les mesures de la direcció, velocitat horitzontal i velocitat vertical del vent. Arribat aquest punt, cal distingir dos tipus de LiDAR diferents, els LiDAR de làser continu i els de làser polsat. Avaluant els avantatges i els inconvenients d’aquestes dues tecnologies, és possible observar que els LiDAR basats en làser continu poden mantenir més fàcilment la precisió en les mesures quan el dispositiu es mou. En aquest projecte, s’han utilitzat dos LiDAR ZephIR® de làser continu per avaluar l’error entre les mesures d’un LiDAR estàtic i un LiDAR en moviment pròxims l’un a l’altre. A més, el moviment al que s’ha sotmès el LiDAR havia d’emular el moviment que caldria esperar que experimentaria el LiDAR a sobre de la boia, així que s’ha utilitzat un bloc cardànic capaç de generar moviment d’ullada, capcineig i balanceig amb diferents amplituds d’angle i períodes d’oscil·lació per separat o combinats de forma que sigui possible separar l’efecte sobre les mesures de cadascuna de les components que caracteritzen el perfil del vent. Resulta interessant veure com a conclusió que el mètode de mesura utilitzat pel ZephIR®, amb 50 mesures per alçada configurada, fa que els errors que es produeixen a cada mesura individual de la velocitat horitzontal del vent quedin compensats en ponderar les mesures tant en alta resolució (una mesura cada 3 s) com per a les mesures mitjanes cada deu minuts. Encara que el moviment que més error introdueix és el de capcineig, produint els pitjors resultats en quant a correlació, desajust i biaix, en el cas de les mesures mitjanes cada deu minuts, les correlacions son properes a la unitat i el desajust i el biaix son pràcticament zero. En canvi, quan s’analitzen els resultats sobre la direcció del vent s’ha de tenir en compte l’ambigüitat que el ZephIR® sofreix en no aplicar una referència en el sentit del vent. Malgrat tot, amb moviment cardànic lliure i mesures mitjanes cada deu minuts, la correlació continua propera a 1 i la desviació és propera a zero amb valors màxims i mínims al voltant dels -7° i 7°. Un ZephIR® LiDAR d’ona continua en moviment pot donar mesures mitjanes cada deu minuts de la velocitat horitzontal del vent acurades sense cap compensació de moviment. En el cas de la velocitat vertical i la direcció del vent, estan més afectades per l’ambigüitat de la mesura de la direcció que pel moviment aplicat al dispositiu.
Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria electrònica
Anemometer
Optical detectors
LIDAR
WIND
PROFILE
MOTION
ERROR
LIDAR
VIENTO
PERFIL
MOVIMIENTO
ERROR
Anemòmetres làser Doppler
Anàlisi numèrica
Anemòmetres
Detectors òptics
info:eu-repo/semantics/bachelorThesis
Universitat Politècnica de Catalunya
         

Mostrar el registro completo del ítem