|
Control
de potencia en aerogeneradores
Los aerogeneradores están diseñados para producir
energía eléctrica de la forma más barata
posible. Así pues, están generalmente diseñados
para rendir al máximo a velocidades alrededor de 15 m/s.
Es mejor no diseñar aerogeneradores que maximicen su rendimiento
a vientos más fuertes, ya que los vientos tan fuertes
no son comunes.
En el caso de vientos más fuertes
es necesario gastar parte del exceso de la energía del
viento para evitar daños en el aerogenerador. En consecuencia,
todos los aerogeneradores están diseñados con algún
tipo de control de potencia. Hay dos formas de hacerlo con seguridad
en los modernos aerogeneradores.
Aerogeneradores
de regulación por cambio del ángulo de paso ("pitch
controlled")
En un aerogenerador
de regulación por cambio del ángulo de paso, el
controlador electrónico de la turbina comprueba varias
veces por segundo la potencia generada. Cuando ésta alcanza
un valor demasiado alto, el controlador envía una orden
al mecanismo de cambio del ángulo de paso, que inmediatamente
hace girar las palas del rotor ligeramente fuera del viento.
Y a la inversa, las palas son vueltas hacia el viento cuando
éste disminuye de nuevo.
Así pues, las palas del rotor deben
ser capaces de girar alrededor de su eje longitudinal (variar
el ángulo de paso), tal y como se muestra en el dibujo.
Observe que el dibujo está exagerado:
durante la operación normal, las palas girarán
una fracción de grado cada vez (y el rotor estará
girando al mismo tiempo).
El diseño de aerogeneradores controlados
por cambio del ángulo de paso requiere una ingeniería
muy desarrollada, para asegurar que las palas giren exactamente
el ángulo deseado. En este tipo de aerogeneradores, el
ordenador generalmente girará las palas unos pocos grados
cada vez que el viento cambie, para mantener un ángulo
óptimo que proporcione el máximo rendimiento a
todas las velocidades de viento.
El mecanismo de cambio del ángulo
de paso suele funcionar de forma hidraúlica.
Aerogeneradores
de regulación por pérdida aerodinámica ("stall
controlled")
Los aerogeneradores de regulación (pasiva) por pérdida
aerodinámica tienen las palas del rotor unidas al buje
en un ángulo fijo.
Sin embargo, el perfil de la pala ha sido
aerodinámicamente diseñado para asegurar que, en
el momento en que la velocidad del viento sea demasiado alta,
se creará turbulencia en la parte de la pala que no da
al viento, tal y como se muestra en el dibujo de la página
anterior. Esta pérdida de sustentación evita
que la fuerza ascensional de la pala actúe sobre el rotor.
Si ha leído la sección sobre
aerodinámica y aerodinámica
y pérdida de sustentación, se dará cuenta
de que conforme aumenta la velocidad real del viento en la zona,
el ángulo de ataque de la pala del rotor también
aumentará, hasta llegar al punto de empezar a perder sustentación.
Si mira con atención la pala del rotor
de un aerogenerador regulado por pérdida aerodinámica
observará que la pala está ligeramente torsionada
a lo largo de su eje longitudinal. Esto es así en parte
para asegurar que la pala pierde la sustentación de forma
gradual, en lugar de hacerlo bruscamente, cuando la velocidad
del viento alcanza su valor crítico (otras de las razones
para torsionar la pala han sido mencionadas en la sección
previa sobre aerodinámica).
La principal ventaja de la regulación
por pérdida aerodinámica es que se evitan las partes
móviles del rotor y un complejo sistema de control. Por
otro lado, la regulación por pérdida aerodinámica
representa un problema de diseño aerodinámico muy
complejo, y comporta retos en el diseño de la dinámica
estructural de toda la turbina, para evitar las vibraciones provocadas
por la pérdida de sustentación. Alrededor de las
dos terceras partes de los aerogeneradores que actualmente se
están instalando en todo el mundo son máquinas
de regulación por pérdida aerodinámica.
Aerogeneradores
de regulación activa por pérdida aerodinámica
Un número creciente de grandes aerogeneradores
(a partir de 1 MW) están siendo desarrollados con un mecanismo
de regulación activa por pérdida aerodinámica.
Técnicamente, las máquinas
de regulación activa por pérdida aerodinámica
se parecen a las de regulación por cambio del ángulo
de paso, en el sentido de que ambos tienen palas que pueden girar.
Para tener un momento de torsión (fuerza de giro) razonablemente
alto a bajas velocidades del viento, este tipo de máquinas
serán normalmente programadas para girar sus palas como
las de regulación por cambio del ángulo de paso
a bajas velocidades del viento (a menudo sólo utilizan
unos pocos pasos fijos, dependiendo de la velocidad del viento).
Sin embargo, cuando la máquina alcanza
su potencia nominal,
observará que este tipo de máquinas presentan una
gran diferencia respecto a las máquinas reguladas por
cambio del ángulo de paso: si el generador va a sobrecargarse,
la máquina girará las palas en la dirección
contraria a la que lo haría una máquina de regulación
por cambio del ángulo de paso. En otras palabras, aumentará
el ángulo de paso de las palas para llevarlas hasta una
posición de mayor pérdida de sustentación,
y poder así consumir el exceso de energía del viento.
Una de las ventajas de la regulación
activa por pérdida aerodinámica es que la producción
de potencia puede ser controlada de forma más exacta que
con la regulación pasiva, con el fin de evitar que al
principio de una ráfaga de viento la potencia nominal
sea sobrepasada. Otra de las ventajas es que la máquina
puede funcionar casi exactamente a la potencia nominal a todas
las velocidades de viento. Un aerogenerador normal de regulación
pasiva por pérdida aerodinámica tendrá generalmente
una caída en la producción de potencia eléctrica
a altas velocidades de viento, dado que las palas alcanzan una
mayor pérdida de sustentación.
El mecanismo de cambio del ángulo
de paso suele operarse mediante sistemas hidraúlicos o
motores eléctricos paso a paso.
La elección de la regulación
por cambio de paso es sobretodo una cuestión económica,
de considerar si vale o no la pena pagar por la mayor complejidad
de la máquina que supone el añadir el mecanismo
de cambio de paso de la pala.
Otros
métodos de control de potencia
Algunos aerogeneradores modernos usan alerones (flaps)
para controlar la potencia del rotor, al igual que los aviones
usan aletas para modificar la geometría de las alas y
obtener así una sustentación adicional en el momento
del despegue.
Otra posibilidad teórica es que el
rotor oscile lateralmente fuera del viento (alrededor de un eje
vertical) para disminuir la potencia. En la práctica,
esta técnica de regulación por
desalineación del rotor sólo se usa en aerogeneradores
muy pequeños (de menos de 1 kW), pues somete al rotor
a fuerzas que varían cíclicamente y que a la larga
pueden dañar toda la estructura.
|