Introducción a la energía eólica: Cómo convertir el impulso del viento en rotación, electricidad y control de la red eléctrica.

Una pala de turbina eólica no es una simple tabla que atrapa el viento. Utiliza la sustentación y la resistencia aerodinámica de un perfil para generar un par de torsión, transmitiendo una gran rotación a baja velocidad a una caja de engranajes o a un generador de accionamiento directo. La energía del generador se acondiciona mediante un convertidor de voltaje, frecuencia y potencia reactiva, y luego pasa a través de un transformador y una línea de transmisión hasta la red eléctrica. Considerar la energía eólica como una sola máquina implica analizar no solo la fuerza del viento, sino también la turbulencia, la fatiga, la previsión, el mantenimiento y el control de la red de forma conjunta.

Ejemplo de energía eólica marina

Imagen: Middelgrunden parque eólico (Kim Hansen / Richard Bartz, CC BY-SA 3.0), Wikimedia Commons. Fotografía de campo que ilustra el espaciado de las turbinas, no una especificación para cada turbina actual.

0. Resumen de 30 segundos

• La potencia ideal que se puede extraer del viento es P=\frac12\rho A v^3 C_p. Dado que es proporcional al cubo de la velocidad del viento v, pequeñas diferencias en el recurso eólico generan una gran diferencia en la generación anual. Ninguna turbina puede recuperar el 100% de la energía cinética del viento; el límite superior es el límite de Betz, aproximadamente el 59,3%. El rendimiento de una turbina real varía con la velocidad del viento, el ángulo de las palas, el control y la turbulencia.

El control de paso ajusta el ángulo de las palas, el control de guiñada orienta la góndola hacia el viento y el control de par del generador regula la velocidad del rotor. Con vientos fuertes, la potencia se reduce y la turbina se detiene por seguridad.

En tierra, predominan el transporte, el ruido y el paisaje; en alta mar (con fondo fijo), predominan los cimientos, los cables submarinos, los tifones y los buques de mantenimiento; en alta mar flotante, predominan el amarre y el movimiento.

En la interconexión a la red, los inversores de velocidad variable gestionan la potencia activa, la potencia reactiva, la tensión y la respuesta de frecuencia. El error de pronóstico se compensa mediante la combinación de baterías, energía hidroeléctrica y gestión de la demanda.

1. La energía cinética del viento y el límite de Betz

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Figura 1: Por debajo del arranque no hay salida útil; entre el arranque y la velocidad nominal, la potencia aumenta bruscamente; por encima de la velocidad nominal, el control de paso limita la salida hasta la parada.

El aire de densidad \rho que pasa a velocidad v a través de un área barrida A=\pi R^2 transporta energía cinética por unidad de tiempo de

Si la velocidad de la estela detrás de la turbina se redujera a cero, el flujo de aire se detendría por completo; por lo tanto, optimizar la caída de velocidad a través de la turbina mediante la conservación del momento limita la fracción extraíble a

y no más. C_p es el coeficiente de potencia, una función C_p(\lambda,\beta) de la relación de velocidad de punta \lambda=\omega R/v y el ángulo de paso \beta. A baja velocidad del viento, la turbina acelera para seguir el \lambda óptimo; por encima de la velocidad nominal del viento, el paso se modifica para mantener la potencia constante.

2. Pala, góndola, torre

La pala convierte la sustentación de un perfil aerodinámico en una fuerza tangencial. Las palas más largas y delgadas aumentan la superficie, pero también la fatiga debida a la gravedad, la fuerza centrífuga y la carga del viento. El buje y el eje principal, el generador, la caja de engranajes y el armario de control se encuentran dentro de la góndola, mientras que la torre y la cimentación transmiten las cargas al suelo. A medida que las turbinas aumentan de tamaño, la frecuencia natural de la pala, la resonancia de la torre, la latencia del control, los rayos, la corrosión salina y la formación de hielo influyen directamente en el diseño.

3. Control de Paso, Guiñada y Par

Control de Paso

Cambiar el ángulo de paso de la pala \beta modifica la sustentación y el par. Por debajo de la velocidad nominal del viento, \beta se mantiene en su valor óptimo; por encima de la velocidad nominal, el ángulo de ataque se reduce para limitar la potencia. Se requiere redundancia para que, si falla el actuador hidráulico o eléctrico, la pala pueda moverse a la posición de bandera (un ángulo que desvía el viento).

Control de Guiñada

El control de guiñada, que orienta la góndola hacia el viento, utiliza la veleta y el anemómetro, la potencia de generación y la torsión de la torre. Una guiñada demasiado frecuente sobrecarga el mecanismo de guiñada y los cables, por lo que se filtran la dirección media del viento y la turbulencia para equilibrar la pérdida de generación con la fatiga.

Par del Generador

En las turbinas de velocidad variable, el par del generador T_g varía con la velocidad para mantener la relación óptima de velocidad de punta. La ecuación del movimiento de rotación es:

donde J representa la inercia, T_a el par aerodinámico y T_f el par de pérdida. Los esquemas de control que virtualmente proporcionan inercia a la red liberan temporalmente la energía cinética rotacional de la turbina para suavizar las caídas de frecuencia; sin embargo, la potencia de salida debe reducirse durante el período en que el rotor recupera velocidad.

4. Velocidad fija, velocidad variable e interconexión a la red

Los generadores de inducción de velocidad fija son fáciles de construir, pero los cambios en la velocidad del viento se propagan fácilmente en forma de par mecánico y a la red. Un generador de inducción doblemente alimentado (DFIG) utiliza un convertidor de capacidad parcial en el lado del rotor para controlar el rango de velocidad variable y la potencia reactiva. Un generador síncrono de imanes permanentes con un convertidor de capacidad total desacopla eléctricamente el generador de la red, lo que permite el control en un amplio rango de velocidad, a costa de un mayor consumo de energía (semiconductor e imán). Costo.

Los inversores suelen usar control de seguimiento de red, rastreando la fase de la red mediante un PLL, pero las redes marinas débiles o las islas aisladas requieren control de formación de red. Un controlador de parque eólico que supervisa un grupo de turbinas coordina la producción, la potencia reactiva, la tasa de rampa y la limitación de potencia de cada turbina, transmitiendo comandos del operador de la red, pronósticos meteorológicos y el estado de carga de la batería a la misma jerarquía de control.

5. Terrestres, Marinas de Base Fija y Flotantes

En el mar, la turbina, el flotador, el amarre, las olas y el cable de alimentación están interconectados. Modificar el ángulo de las palas altera la carga aerodinámica, lo que afecta al movimiento de la torre y el flotador; modificar el par del generador altera la velocidad del rotor y la carga del amarre. La investigación avanza más allá de un controlador PID simple hacia el control predictivo basado en modelos, el control de mitigación de carga y los gemelos digitales que prolongan la vida útil.

6. Pronóstico, Mantenimiento y Medio Ambiente

El pronóstico de energía eólica combina modelos meteorológicos, lidar, datos satelitales, velocidad del viento en la góndola y datos de la estela de las turbinas vecinas para generar distribuciones de probabilidad con una antelación de minutos a días. Durante periodos de gran error de pronóstico, se mantiene capacidad de batería en reserva y se planifican con antelación la gestión térmica, hidroeléctrica y la respuesta a la demanda.

El mantenimiento supervisa las vibraciones, la temperatura y el análisis de aceite en el cojinete del eje principal, la caja de engranajes, el generador, el cojinete de paso y las palas. Las imágenes de drones y la inspección acústica detectan la delaminación de las palas y los rayos. Daños, combinando señales de anomalías con las condiciones del viento para decidir cuándo programar paradas. Los impactos en aves y murciélagos, mamíferos marinos, pesquerías y ecosistemas del lecho marino deben evaluarse junto con la ubicación, el control operativo y el monitoreo, no de forma aislada.

7. Resumen

La energía eólica es un sistema que transfiere el impulso del aire secuencialmente a las palas, el eje, el generador, el inversor, el transformador y la red. La ley cúbica de la velocidad del viento y el límite de Betz establecen el límite máximo de producción; el control de paso, guiñada y par determina la carga mecánica y la calidad de la energía; la previsión y el mantenimiento determinan la disponibilidad. Al leer investigaciones sobre turbinas marinas/flotantes o inversores formadores de red, vale la pena compararlos no solo en función de la eficiencia de conversión, sino también incluyendo la fatiga, el cableado, los puertos, el clima, el medio ambiente y la operación de la red.