Convertir el viento en electricidad o: el doble

La humanidad lleva siglos cosechando energía del viento. La práctica se remonta al menos a la Persia del siglo VIII, donde se obtuvieron los primeros registros históricos conocidos de molinos de viento, pero probablemente se remonta incluso más atrás. En comparación con la vasta historia del uso directo de la energía eólica para hacer cosas como moler granos, bombear agua, aserrar madera o producir telas, la producción de electricidad es todavía relativamente nueva. A pesar de ello, existen algunas formas intrigantes de utilizar el viento para producir electricidad. Debido a la naturaleza impredecible del viento de un momento a otro, usarlo para hacer girar un gran generador conectado a la red no es tan sencillo como podría parecer. Echemos un vistazo a cuatro tipos de configuraciones de turbinas eólicas y cómo cada una aborda los cambios repentinos en la velocidad del viento.

Sin embargo, en primer lugar es importante señalar que los patrones de viento del orden de un año o más en cualquier área en particular son bien conocidos y utilizados para el diseño de parques eólicos. Además, los pronósticos de la velocidad del viento en escalas de tiempo más cortas, como un día o una semana, también son lo suficientemente precisos como para obtener una estimación muy cercana de las capacidades de producción de energía en esas escalas de tiempo, aunque existe una gran idea errónea entre el público de que el viento no es una fuente confiable de electricidad porque no siempre explota. Todo lo contrario; Hay predicciones extremadamente precisas de las velocidades promedio del viento disponibles con horas y días de anticipación debido a lo buenos que han sido los pronósticos meteorológicos en las últimas décadas, lo que permite a generadores como las plantas de combustibles fósiles reducir la producción a medida que hay más generación eólica disponible con muchas advertencias.

Aunque las previsiones de viento a corto y largo plazo son extremadamente sólidas, las ráfagas de viento son mucho más difíciles de afrontar y siguen siendo un desafío para cualquier aerogenerador. Si bien podría ser fácil pensar que una turbina simplemente aplicará un freno mecánico para ralentizar la rotación cuando se produzca una ráfaga, para las turbinas grandes esta generalmente no es una solución económicamente viable. Significaría enviar técnicos para reemplazar las pastillas de freno constantemente, sin mencionar las tensiones mecánicas en la turbina que causaría la acción de frenado constante. Si bien también existen sistemas de paso de palas, también conocidos como frenos aerodinámicos, que pueden girar las palas (o simplemente las puntas) hacia o fuera del viento para permanecer lo más cerca posible de la velocidad de rotación de diseño ideal de la turbina, estos sistemas de paso Los sistemas todavía son demasiado lentos para algunas ráfagas.

Sin embargo, los frenos mecánicos son necesarios. Por lo general, solo se usan durante una parada de emergencia cuando un técnico está en peligro físico, como último recurso para detener un evento de exceso de velocidad importante si falla el sistema de paso de las palas, o para "estacionar" temporalmente el rotor de la turbina durante ciertos procesos de mantenimiento solo después de Se han aplicado los frenos aerodinámicos. Es posible que las turbinas fuera de línea, como las que esperan reemplazo del generador o de la caja de cambios, tampoco utilicen el freno a largo plazo, ya que las turbinas con aspas alejadas del viento pueden “girar” durante largos períodos de tiempo incluso con fuertes vientos sin riesgo.

Incluso para tareas de mantenimiento que requieren detener completamente la rotación de la turbina, generalmente se usan solo el tiempo suficiente para instalar un mecanismo de bloqueo del rotor. En lugar de utilizar estos frenos para controlar la velocidad de rotación durante el funcionamiento, se han encontrado soluciones eléctricas mucho más inteligentes al problema de las ráfagas de viento que reducen la cantidad de energía desperdiciada y reducen la cantidad de mantenimiento que de otro modo sería necesario realizar en los sistemas de frenos. , y que a veces puede recolectar la energía de la propia ráfaga. La primera solución es increíblemente sencilla.

La turbina eólica tipo 1, a veces denominada turbina de velocidad fija, en realidad no se preocupa mucho por lidiar con cambios cortos y transitorios en la velocidad del viento. El uso de las propiedades inherentes de un generador de inducción resuelve este problema sin esfuerzo. En esta configuración, la salida del generador está conectada directamente a la red y la inercia de la red la mantiene mayoritariamente a la velocidad de rotación correcta. Cuando llega una ráfaga, el generador simplemente “se deslizará” un poco más allá de su velocidad sincrónica y luego se recuperará a un estado normal después de haber absorbido la ráfaga. Si la ráfaga es demasiado, las turbinas de esta categoría también pueden emplear un “freno” eléctrico que descarga el exceso de energía en un banco de resistencias o dispositivo equivalente, desacelerando ligeramente la turbina.

Los beneficios de las máquinas de inducción a este respecto son en gran medida la simplicidad y el coste; Por lo general, ahora sólo las turbinas eólicas pequeñas (o antiguas) utilizan generadores de inducción simples como este debido a sus mayores pérdidas eléctricas en comparación con otros tipos de generadores. Tampoco hay que considerar sólo las pérdidas eléctricas. Las pérdidas aerodinámicas al operar a una velocidad fija pueden ser significativas cuando, de otro modo, una velocidad del rotor más baja o más alta podría ser más eficiente. Otras desventajas notables incluyen la incapacidad de proporcionar energía reactiva a la red, además de ser extremadamente sensibles a las variaciones de voltaje y frecuencia en la red, lo que significa que se desconectan más fácilmente debido a transitorios eléctricos.

Un ejemplo de turbina eólica Tipo 1 utilizada para la producción de energía a granel fue la Zond Z-40, producida en la década de 1980. Las turbinas más pequeñas pero modernas para la producción de energía doméstica o la generación distribuida a menudo también pueden entrar en esta categoría.

El aerogenerador tipo 2, también llamado turbina de velocidad variable, intenta solucionar algunos de estos problemas. Un dispositivo llamado convertidor está integrado en la turbina para controlar con precisión el campo magnético dentro del rotor del generador. Esto significa que la turbina puede cambiar la cantidad de deslizamiento que hay dentro del generador y, como su nombre lo indica, puede permitir que la turbina funcione a una velocidad de rotación aerodinámicamente más eficiente incluso cuando cambia la velocidad promedio del viento. Esto no sólo mejora la eficiencia eléctrica y aerodinámica, sino que al variar el campo magnético del rotor, la turbina puede proporcionar o absorber energía reactiva de la red.

Sin embargo, existen algunas desventajas, en gran medida con respecto a la complejidad y el costo. Para controlar el campo magnético en el rotor se requiere un anillo colector, que puede ser un equipo que requiere mucho mantenimiento en comparación con las turbinas de tipo 1. El convertidor en sí también es un elemento de mantenimiento adicional, y hay otros componentes adicionales que también agregan costos, como los tiristores que ayudan al generador a conectarse sin problemas a la red. Sin embargo, los beneficios de tener control del rotor superan con creces los pequeños inconvenientes, y la turbina tipo 2 reemplazó en gran medida a la turbina tipo 1 para la producción de energía a gran escala en nuevos parques eólicos a finales de los años 90 y principios de los 2000.

Para dejar lo más interesante para el final, avancemos un poco y analicemos el diseño de la turbina Tipo 4. Las turbinas tipo 4 abarcan una amplia gama de máquinas aparentemente no relacionadas, pero todas tienen una cosa en común: la salida eléctrica del generador está "completamente invertida", lo que significa que el 100% de la energía generada pasa a través de un sistema electrónico de potencia que la convierte en tensión y frecuencia de la red. Cualquier ráfaga de viento que se presente y que no sea absorbida por el sistema de paso de la turbina es simplemente manejada por la electrónica de potencia. Estos convertidores son similares a los convertidores utilizados en las máquinas tipo 2, excepto que los sistemas electrónicos de potencia deben ser enormes para manejar la potencia nominal total del generador de cada turbina.

A pesar del enorme coste y la complejidad de los grandes sistemas electrónicos de potencia, esto abre una gran cantidad de otras opciones de diseño. Por ejemplo, prácticamente cualquier generador puede usarse y operarse a cualquier velocidad. Para los generadores de CA, esto significa que la turbina ya no necesita el control del campo magnético del rotor como lo haría una turbina tipo 2; Incluso se pueden utilizar generadores de imanes permanentes en estas configuraciones. Sin embargo, los generadores de CA a menudo pueden requerir dos etapas de convertidores, una para convertir la CA generada en CC y otra para tomar la CC y convertirla en voltaje y frecuencia de red. Sin embargo, también es posible omitir el primer paso de conversión utilizando generadores de CC directamente, como lo hicieron las exclusivas turbinas Clipper Liberty con su sistema de cuatro generadores.

Y, hablando de Clipper, una máquina tipo 4 también puede permitir eliminar la caja de cambios del diseño. Algunas de las turbinas eólicas más grandes del mundo, como las turbinas de accionamiento directo de Siemens Gamesa, son ejemplos de turbinas sin cajas de engranajes, que generalmente (pero no siempre) se encuentran en configuraciones de tipo 4, totalmente invertidas.

Con las turbinas tipo 4, dado que toda la energía pasa a través de un inversor, esencialmente no hay diferencia en cuánta o qué tipo de energía eléctrica se produce. Básicamente, el único inconveniente de la máquina tipo 4 es el enorme coste de la electrónica de potencia, lo que nos lleva a la solución quizás más elegante a este problema.

Combinando todas las ventajas de la máquina tipo 2 con algunas de las ventajas de una máquina tipo 4, llegamos por fin al generador de inducción doblemente alimentado, también conocido como DFIG (pronunciado “dee-fig”). Recibe este nombre porque, a diferencia del tipo 2, tanto el estator como el rotor son capaces de enviar energía a la red. Durante el arranque o durante períodos de baja velocidad del viento, llamados "velocidad subsincrónica", el convertidor del rotor extrae energía de la red para impulsar el campo magnético en el rotor. Sin embargo, por encima de la velocidad síncrona natural del generador, llamada “velocidad supersíncrona”, el proceso se invierte y el rotor puede generar energía y enviarla de regreso a la red a través del convertidor. Sin embargo, en todos los puntos del funcionamiento de la turbina, el campo magnético del rotor se controla meticulosamente para mantener el generador a la velocidad de rotación ideal.

Esto no sólo permite controlar el factor de potencia del generador (lo que significa que las turbinas DFIG pueden proporcionar o consumir energía reactiva y soportar la red como una turbina tipo 2) y permite un manejo mucho más robusto de eventos de bajo voltaje en la red, Esto también significa que se necesita un convertidor mucho más pequeño, ya que sólo tiene que enviarse la potencia del rotor a través de la electrónica de potencia. A diferencia de una máquina de tipo 4, en la que el 100 % de la potencia pasa por un enorme inversor, el estator de una DFIG está conectado directamente a la red y sólo el rotor utiliza un convertidor, lo que significa que alrededor de dos tercios de la energía de la turbina pasa directamente a la red. El ahorro de costes es significativo y los únicos inconvenientes importantes son una complejidad ligeramente mayor en los sistemas de control y el mantenimiento asociado con un anillo colector.

El DFIG ofrece una solución elegante a muchos problemas relacionados con el diseño de turbinas eólicas, aunque, al igual que otros tipos de turbinas, el manejo de ráfagas de viento es sólo una parte de la historia de por qué se podría utilizar una configuración particular. Tampoco es una tecnología que se vea a menudo fuera de la industria eólica, ya que generalmente no es necesario un control preciso sobre un generador cuando las velocidades de entrada son más constantes de lo que permite el viento. Pero los DFIG sí ven cierto uso en instalaciones de almacenamiento por bombeo donde el flujo a través de los generadores hidroeléctricos no es constante, y también pueden usarse como un condensador síncrono para proporcionar soporte de voltaje y frecuencia a redes eléctricas locales o aisladas.