Una turbina eólica de velocidad variable es aquella que está diseñada específicamente para funcionar en una amplia gama de velocidades del rotor. Está en contraste directo con la turbina eólica de velocidad fija, donde la velocidad del rotor es aproximadamente constante. La razón para variar la velocidad del rotor es capturar la máxima potencia aerodinámica en el 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 operando la turbina eólica a la relación óptima de velocidad punta, como se muestra en el siguiente gráfico.
La relación punta-velocidad viene dada por la siguiente expresión,
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.
Antes de la necesidad de conectar las turbinas eólicas a la red, pocas turbinas eran de velocidad fija. Esto no fue un problema porque las turbinas no tenían que estar sincronizadas 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. Desde 2003, casi todas las turbinas eólicas conectadas a la red funcionan a una velocidad exactamente constante (generadores sincrónicos) o dentro de unos pocos porcentajes de velocidad constante (generadores de inducción). [1]
La turbina eólica Gamma 60 , una turbina de control de orientación de dos palas de 1,5 MW , que Seawind Ocean Technology BV está desarrollando aún más, fue la primera turbina eólica de velocidad variable del mundo con bisagra oscilante. [2]
Para una turbina eólica, la energía captada viene dada por la siguiente fórmula:
donde es la potencia aerodinámica y es la densidad del aire. El coeficiente de potencia es una representación de cuánta potencia disponible en el viento es capturada por la turbina eólica y se puede consultar en el gráfico anterior.
El par, , en el eje del rotor está dado por la relación entre la potencia extraída y la velocidad del rotor:
Así podemos obtener las siguientes expresiones para par y potencia:
y
A partir de la ecuación anterior, podemos construir un diagrama de par-velocidad para una turbina eólica. Consta de múltiples 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 grises discontinuas); 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:
Curva verde: Gráfico de potencia = potencia nominal de modo que
Curva gris: la velocidad del viento se supone constante de modo que
Curva azul: Constante para que
Para obtener más detalles, consulte Teoría del momento del elemento Blade.
Considere la siguiente figura:
Esta es la representación de la velocidad aparente del viento, vista por una pala (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:
Como se mencionó anteriormente, lo ideal es que una turbina eólica funcione con su máxima eficiencia con una potencia inferior a la nominal. Una vez que se ha alcanzado la potencia nominal, la potencia es limitada. Esto se debe a dos razones: clasificaciones del equipo de transmisión, como el generador; y segundo, reducir las cargas sobre las palas. Por tanto, una estrategia operativa para una turbina eólica se puede dividir en un componente de potencia subclasificada y un componente de potencia nominal.
Por debajo de la potencia nominal, lo ideal es que la turbina eólica funcione de tal manera que . En un diagrama de velocidad del rotor de torsión, esto se ve así:
donde la línea negra representa la sección inicial de la estrategia operativa para un aerogenerador de velocidad variable con regulación de pérdida. 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 del viento nominal, la turbina no debería poder producir mayores niveles de energía para velocidades de viento más altas. Una turbina eólica de velocidad variable con regulación de pérdida no tiene mecanismo de cabeceo. Sin embargo, la velocidad del rotor es variable. La velocidad del rotor se puede aumentar o disminuir mediante un controlador diseñado apropiadamente. 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. Específicamente, para ángulos de ataque elevados, un perfil aerodinámico entra en pérdida . Es decir, la resistencia aumenta sustancialmente. Las fuerzas de sustentación y arrastre influyen en la producción de energía 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 la pala (consulte el siguiente enlace ). Por lo tanto, forzar la pérdida del perfil aerodinámico puede resultar en una limitación de potencia.
Así se puede establecer que si es necesario aumentar el ángulo de ataque para limitar la producción de energía del aerogenerador, se debe reducir la velocidad del rotor. Nuevamente, esto se puede ver en la figura de la sección de fuerzas de la pala. También se puede ver considerando el diagrama de velocidad del rotor de torsión. En referencia al diagrama de velocidad del rotor de torsión 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 potencia.
La regulación del paso permite así que la turbina eólica cambie activamente el ángulo de ataque del aire sobre las palas. Esto es preferible a una turbina eólica con regulación de pérdida, ya que permite un control mucho mayor de la producción de energía.
Al igual que la turbina eólica de velocidad variable regulada por pérdida, la estrategia operativa inicial es operar en la curva. Sin embargo, debido a limitaciones como los niveles de ruido, esto no es posible para toda la gama de velocidades del viento subclasificadas. Por debajo de la velocidad nominal del viento, se emplea la siguiente estrategia operativa:
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 tanto, control sobre el par. Todos los diagramas de velocidad del rotor de torsión anteriores son gráficos cuando el ángulo de paso, , es cero. Se puede producir un trazado tridimensional que incluye variaciones en el ángulo de paso.
En última instancia, en el gráfico 2D, por encima de la velocidad del viento nominal, la turbina funcionará en el punto marcado con "x" en el siguiente diagrama.
Un variador de velocidad puede tener o no 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 confiabilidad y las tasas de falla. [4]
Un ejemplo de turbina eólica sin caja de cambios es el Enercon E82. [5]
Para turbinas eólicas de velocidad variable, se puede utilizar uno de dos tipos de generadores: un DFIG (generador de inducción de doble alimentación) o un FRC (convertidor totalmente nominal).
Un generador DFIG extrae energía reactiva del sistema de transmisión; esto 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 tal configuración.
Un convertidor totalmente nominal puede ser un generador de inducción o un generador de imanes permanentes. 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, considerado el caballo de batalla de la industria. [7] Un ejemplo de generador de imanes permanentes es el Siemens SWT-2.3-113. [8] Una desventaja de un generador de imanes permanentes es el costo de los materiales que deben incluirse. [9]
Considere una turbina eólica de velocidad variable con un generador síncrono de imanes permanentes. El generador produce electricidad CA. La frecuencia del voltaje CA generado por la turbina eólica es función de la velocidad del rotor dentro del generador:
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 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 manera que su frecuencia sea constante. Para ello se utilizan convertidores de potencia, lo que provoca 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.
Como ya se mencionó, el voltaje generado por una turbina eólica de velocidad variable no es compatible con la red. 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 está transferidos al sistema de transmisión. Los convertidores de potencia primero convierten la señal a CC y luego convierten la señal de CC a una señal de CA. Las técnicas utilizadas incluyen la modulación de ancho de pulso .
