Aerogenerador de velocidad variable

Una turbina eólica de velocidad variable es una turbina diseñada específicamente para funcionar en un amplio rango de velocidades de rotor. Es un contraste directo con la turbina eólica de velocidad fija, en la que la velocidad del rotor es aproximadamente constante. La razón para variar la velocidad del rotor es capturar la máxima potencia aerodinámica del viento, a medida que varía la velocidad del viento. La eficiencia aerodinámica, o coeficiente de potencia, para un ángulo de paso de pala fijo se obtiene haciendo funcionar la turbina eólica a la relación óptima entre la punta y la velocidad, como se muestra en el siguiente gráfico.${\displaystyle C_{p}}$

La relación de velocidad de la punta se da mediante la siguiente expresión:

${\displaystyle \lambda ={\frac {\omega R}{v}}}$

donde es la velocidad del rotor (en radianes por segundo), es el radio del rotor y es la velocidad del viento. A medida que varía la velocidad del viento, se debe variar la velocidad del rotor para mantener la máxima eficiencia.${\estilo de visualización \omega}$${\estilo de visualización R}$${\estilo de visualización v}$

Antes de que fuera necesario conectar las turbinas eólicas a la red, pocas eran de velocidad fija, lo que no suponía un problema porque no era necesario sincronizarlas con la frecuencia de la red. ^[1]

Todas las turbinas eólicas conectadas a la red, desde la primera en 1939 hasta el desarrollo de las turbinas eólicas conectadas a la red de velocidad variable en la década de 1970, eran turbinas eólicas de velocidad fija. A partir de 2003, casi todas las turbinas eólicas conectadas a la red funcionan a una velocidad exactamente constante (generadores síncronos) o con un margen de unos pocos porcentajes de velocidad constante (generadores de inducción). ^[1]

La turbina eólica Gamma 60 , una turbina de control de guiñada de dos palas de 1,5 MW , que Seawind Ocean Technology BV está desarrollando actualmente , fue la primera turbina eólica del mundo de velocidad variable con una bisagra oscilante. ^[2]

Para una turbina eólica, la potencia obtenida se obtiene mediante la siguiente fórmula:

${\displaystyle P={\frac {1}{2}}\rho \pi R^{2}v^{3}C_{p}(\lambda )}$

donde es la potencia aerodinámica y es la densidad del aire. El coeficiente de potencia es una representación de qué parte de la potencia disponible en el viento es captada por la turbina eólica y se puede consultar en el gráfico anterior.${\estilo de visualización P}$${\estilo de visualización \rho}$

El par, , en el eje del rotor viene dado por la relación entre la potencia extraída y la velocidad del rotor:${\estilo de visualización Q}$

${\displaystyle Q={\frac {P}{\omega }}}$

De esta manera podemos obtener las siguientes expresiones para par y potencia:

${\displaystyle P={\frac {1}{2\lambda ^{3}}}\rho \pi R^{5}\omega ^{3}C_{p}(\lambda )}$

y

${\displaystyle Q={\frac {1}{2\lambda ^{3}}}\rho \pi R^{5}\omega ^{2}C_{p}(\lambda )={\frac {1}{2\lambda }}\rho \pi R^{3}v^{2}C_{p}(\lambda )}$

A partir de la ecuación anterior, podemos construir un diagrama de par-velocidad para una turbina eólica. Este consta de varias curvas: una curva de potencia constante que traza la relación entre el par y la velocidad del rotor para una potencia constante (curva verde); curvas de velocidad del viento constante, que trazan la relación entre el par y la velocidad del rotor para velocidades del viento constantes (curvas discontinuas en gris); y curvas de eficiencia constante, que trazan la relación entre el par y la velocidad del rotor para eficiencias constantes. [ ^3] Este diagrama se presenta a continuación:${\displaystyle C_{p}}$

Curva verde: Trazado de potencia = potencia nominal de modo que${\displaystyle P=Q\omega}$

Curva gris: Se supone que la velocidad del viento es constante, de modo que${\displaystyle Q\propto \omega ^{2}C_{p}(\lambda)}$

Curva azul: Constante para que${\displaystyle C_{p}(\lambda)}$${\displaystyle Q\propto \omega ^{2}}$

Para obtener más detalles, consulte la teoría del momento del elemento de la cuchilla.

Considere la siguiente figura:

Esta es la representación de la velocidad aparente del viento, tal como se ve desde una pala (a la izquierda de la figura). La velocidad aparente del viento está influenciada tanto por la velocidad de la corriente libre del aire como por la velocidad del rotor. En esta figura, podemos ver que tanto el ángulo como la velocidad aparente del viento son funciones de la velocidad del rotor, . Por extensión, las fuerzas de sustentación y arrastre también serán funciones de . Esto significa que las fuerzas axiales y tangenciales que actúan sobre la pala varían con la velocidad del rotor. La fuerza en la dirección axial viene dada por la siguiente fórmula:${\estilo de visualización \theta}$${\estilo de visualización W}$${\estilo de visualización \omega}$${\estilo de visualización \omega}$

Como se ha comentado anteriormente, lo ideal es que una turbina eólica funcione a su máxima eficiencia con una potencia inferior a la nominal. Una vez que se alcanza la potencia nominal, la potencia se ve limitada. Esto se debe a dos motivos: en primer lugar, a las potencias nominales de los equipos de transmisión, como el generador, y en segundo lugar, a la necesidad de reducir las cargas sobre las palas. Por tanto, una estrategia de funcionamiento de una turbina eólica se puede dividir en un componente de potencia inferior a la nominal y un componente de potencia nominal.

Por debajo de la potencia nominal, la turbina eólica funcionará idealmente de tal manera que . En un diagrama de par-velocidad del rotor, esto se ve de la siguiente manera:${\displaystyle C_{p}=C_{p~máx}}$

donde la línea negra representa la sección inicial de la estrategia de funcionamiento de una turbina eólica regulada por pérdida de velocidad variable. Lo ideal sería permanecer en la curva de máxima eficiencia hasta alcanzar la potencia nominal. Sin embargo, a medida que aumenta la velocidad del rotor, aumentan los niveles de ruido. Para contrarrestar esto, no se permite que la velocidad del rotor aumente por encima de un valor determinado. Esto se ilustra en la siguiente figura:

Una vez que la velocidad del viento ha alcanzado un cierto nivel, llamado velocidad nominal del viento, la turbina no debería ser capaz de producir mayores niveles de potencia para velocidades de viento más altas. Una turbina eólica de velocidad variable regulada por pérdida no tiene mecanismo de inclinación. Sin embargo, la velocidad del rotor es variable. La velocidad del rotor se puede aumentar o disminuir mediante un controlador diseñado adecuadamente. En referencia a la figura ilustrada en la sección de fuerzas de las palas, es evidente que el ángulo entre la velocidad aparente del viento y el plano de rotación depende de la velocidad del rotor. Este ángulo se denomina ángulo de ataque .

Los coeficientes de sustentación y resistencia de un perfil aerodinámico están relacionados con el ángulo de ataque. En concreto, para ángulos de ataque elevados, un perfil aerodinámico entra en pérdida , es decir, la resistencia aumenta sustancialmente. Las fuerzas de sustentación y resistencia influyen en la producción de potencia de una turbina eólica. Esto se puede ver a partir de un análisis de las fuerzas que actúan sobre una pala cuando el aire interactúa con ella (consulte el siguiente enlace ). Por tanto, forzar el perfil aerodinámico a entrar en pérdida puede dar lugar a una limitación de potencia.

De este modo, se puede establecer que si es necesario aumentar el ángulo de ataque para limitar la producción de energía de la turbina eólica, se debe reducir la velocidad del rotor. Nuevamente, esto se puede ver en la figura de la sección de fuerzas de las palas. También se puede ver al considerar el diagrama de par-velocidad del rotor. En referencia al diagrama de par-velocidad del rotor anterior, al reducir la velocidad del rotor a altas velocidades del viento, la turbina entra en la región de pérdida, lo que limita en cierta medida la producción de energía.

De esta forma, la regulación del paso permite que el aerogenerador modifique activamente el ángulo de ataque del aire sobre las palas. Esto es preferible a un aerogenerador regulado por pérdida de sustentación, ya que permite un control mucho mayor de la potencia de salida.

De forma idéntica a la de la turbina eólica de velocidad variable regulada por pérdida, la estrategia de funcionamiento inicial es operar en la curva. Sin embargo, debido a limitaciones como los niveles de ruido, esto no es posible para todo el rango de velocidades de viento inferiores a las nominales. Por debajo de la velocidad nominal del viento, se emplea la siguiente estrategia de funcionamiento:${\displaystyle C_{p~máx}}$

Por encima de la velocidad nominal del viento, se emplea el mecanismo de cabeceo. Esto permite un buen nivel de control sobre el ángulo de ataque y, por lo tanto, sobre el par motor. Los diagramas de par motor-velocidad del rotor anteriores son todos gráficos cuando el ángulo de cabeceo, , es cero. Se puede producir un gráfico tridimensional que incluya variaciones en el ángulo de cabeceo.${\estilo de visualización \beta}$

Finalmente, en el gráfico 2D, por encima de la velocidad del viento nominal, la turbina funcionará en el punto marcado con una 'x' en el diagrama siguiente.

Un motor de velocidad variable puede tener o no una caja de cambios, según los deseos del fabricante. Las turbinas eólicas sin caja de cambios se denominan turbinas eólicas de accionamiento directo. Una ventaja de una caja de cambios es que los generadores suelen estar diseñados para que el rotor gire a alta velocidad dentro del estator. Las turbinas eólicas de accionamiento directo no presentan esta característica. Una desventaja de una caja de cambios es la fiabilidad y las tasas de fallos. ^[4]

Un ejemplo de una turbina eólica sin caja de cambios es el Enercon E82. ^[5]

Para las turbinas eólicas de velocidad variable, se pueden utilizar uno de dos tipos de generadores: un DFIG (generador de inducción doblemente alimentado) o un FRC (convertidor de potencia máxima).

Un generador DFIG extrae potencia reactiva del sistema de transmisión, lo que puede aumentar la vulnerabilidad de un sistema de transmisión en caso de falla. Una configuración DFIG requerirá que el generador sea un rotor bobinado; ^[6] los rotores de jaula de ardilla no se pueden utilizar para dicha configuración.

Un convertidor de potencia máxima puede ser un generador de inducción o un generador de imán permanente. A diferencia del DFIG, el FRC puede emplear un rotor de jaula de ardilla en el generador; un ejemplo de esto es el Siemens SWT 3.6-107, que se considera el caballo de batalla de la industria. ^[7] Un ejemplo de un generador de imán permanente es el Siemens SWT-2.3-113. ^[8] Una desventaja de un generador de imán permanente es el costo de los materiales que deben incluirse. ^[9]

Consideremos una turbina eólica de velocidad variable con un generador síncrono de imanes permanentes. El generador produce electricidad de CA. La frecuencia del voltaje de CA generado por la turbina eólica es una función de la velocidad del rotor dentro del generador:

${\displaystyle N={\frac {120f}{P}}}$

donde es la velocidad del rotor, es el número de polos del generador y es la frecuencia del voltaje de salida. Es decir, a medida que varía la velocidad del viento, varía la velocidad del rotor y, por lo tanto, varía la frecuencia del voltaje. Esta forma de electricidad no se puede conectar directamente a un sistema de transmisión. En cambio, debe corregirse de modo que su frecuencia sea constante. Para esto, se emplean convertidores de potencia, lo que da como resultado el desacoplamiento de la turbina eólica del sistema de transmisión. A medida que se incluyen más turbinas eólicas en un sistema eléctrico nacional, la inercia disminuye. Esto significa que la frecuencia del sistema de transmisión se ve más afectada por la pérdida de una sola unidad generadora.${\estilo de visualización N}$${\estilo de visualización P}$${\estilo de visualización f}$

Como ya se ha mencionado, el voltaje generado por una turbina eólica de velocidad variable no es compatible con la red eléctrica. Para suministrar energía a la red de transmisión desde estas turbinas, la señal debe pasar a través de un convertidor de potencia, que garantiza que la frecuencia del voltaje de la electricidad generada por la turbina eólica sea la frecuencia del sistema de transmisión cuando se transfiere al sistema de transmisión. Los convertidores de potencia primero convierten la señal a CC y luego convierten la señal de CC en una señal de CA. Las técnicas utilizadas incluyen la modulación por ancho de pulso .