Energía que el mundo necesita
Curva de potencia del aerogenerador
La curva de potencia del aerogenerador contiene los puntos óptimos de funcionamiento. Las velocidades de viento notables tales como la velocidad de viento de entrada, la velocidad de viento nominal y la velocidad de viento de salida definen cinco zonas de funcionamiento. Estas zonas determinan el comportamiento dinámico del aerogenerador.
Superficie de potencia
La superficie de potencia contiene todos los puntos posibles en los que puede funcionar el aerogenerador. Figure 1 shows this surface depending on the wind speed (4 – 20 m/s) and the speed of the wind turbine (8 – 20 rpm). Cambiando el coeficiente de potencia (Cp), se pueden obtener diferentes curvas de potencia, donde la curva resaltada en negro se denomina curva de potencia óptima. En esta curva es donde el aerogenerador opera durante toda su vida útil.
La curva de potencia óptima puede ser proyectada en los ejes Potencia mecánica (Pm) vs. Velocidad de rotación (Ω) o Potencia mecánica (Pm) vs. Velocidad del viento (Vw). A continuación, se muestra la gráfica de la curva de potencia proyectada en los ejes mencionados anteriormente.
Curva de Potencia (Pm vs. Vw)
Esta curva se obtiene proyectando sobre los ejes de la potencia mecánica y la velocidad del viento (curva P-V). La Figura 2 muestra la curva P-V de un aerogenerador de 2 MW. Esta curva la facilita el fabricante del aerogenerador.
En la curva P-V pueden distinguirse los siguientes puntos importantes:
Velocidad de viento de arranque (Va): Es la velocidad del viento en la cual el aerogenerador comienza a suministrar potencia útil. Suele oscilar entre 3 y 5 m/s.
Velocidad de viento nominal (Vn): Es la velocidad del viento a la que se alcanza la potencia nominal del aerogenerador. Suele oscilar entre 10 y 15 m/s y depende del fabricante.
Velocidad de viento de corte (Vc): Es la velocidad del viento a la cual los sistemas de regulación y control detienen el rotor para evitar el riesgo de daños causados por una velocidad del viento elevada. Esta suele estar en el rango de 20 a 30 m/s.
Zonas de funcionamiento de los aerogeneradores
La curva potencia-velocidad (Figura 2) muestra las cinco zonas de funcionamiento de un aerogenerador. A continuación se describen las zonas de funcionamiento:
Zona 1: La velocidad del viento no es suficiente para vencer la fricción interna (inercia) del aerogenerador. En esta zona, el aerogenerador no puede producir energía útil porque el viento no es capaz de hacer girar las palas de la turbina a la velocidad de rotación mínima. Por lo tanto, no es posible extraer la máxima potencia del viento. Esto suele ocurrir cuando la velocidad del viento es inferior a 3 m/s o 5 m/s (según el fabricante).
Zona 2: Es la zona de funcionamiento en la que se realiza el seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT). También es la zona en la que es más probable que opere el aerogenerador. Generalmente se encuentra entre velocidades de viento de 5 m/s a 12 m/s.
Zona 3 (opcional): Zona que aparece en algunos diseños de aerogeneradores cuando se alcanza la velocidad máxima, pero no se genera la potencia máxima. Es una pequeña franja de funcionamiento anterior a la Zona 4, que en algunos aerogeneradores forma parte de la Zona 2. La velocidad debe mantenerse en el valor máximo, aunque no sea posible captar la máxima potencia del viento, por lo que no opera en el punto de máxima potencia.
Zona 4: Esta zona comienza cuando la potencia captada es igual a la potencia nominal. La potencia mecánica generada y la velocidad del aerogenerador permanecen constantes en sus valores nominales. Para conseguirlo, el ángulo de paso se modifica cuando la velocidad del viento varía por encima de la velocidad nominal.
Zona 5: Es la zona donde la velocidad del viento se vuelve peligrosa para el aerogenerador, haciendo que gire a velocidades superiores a las nominales, provocando tensiones mecánicas y la posible destrucción del aerogenerador. El ángulo se fija entre 45° y 90° para que la potencia mecánica extraída del viento sea aproximadamente nula. Además, el sistema de frenado mecánico de todo el eje de transmisión impide que gire hasta que se detecte una velocidad de viento adecuado para su operación.
Curva de Potencia (Pm vs. Ω)
Esta curva se obtiene proyectando en los ejes de potencia mecánica y velocidad del aerogenerador (curva P-Ω). La figura 3 muestra la curva P-Ω de un aerogenerador de 2 MW.
Ωmin: Velocidad mínima de la turbina eólica.
Ω0: Velocidad inicial del aerogenerador donde empieza a producir energía eléctrica óptima.
Ω1: Final speed of the wind turbine, which is very close to the maximum speed.
Ωmax: Velocidad máxima del aerogenerador.
La operación de un aerogenerador depende de la velocidad del viento y de la velocidad de rotación. En la superficie de potencia se encuentra la curva de potencia del aerogenerador donde opera de forma óptima, siendo limitada por el control del ángulo de las palas. La curva P-V muestra cuál será la potencia mecánica de un aerogenerador a diferentes velocidades promedio de viento. Esta curva es utilizada paracalcular la energía generada por un aerogenerador en un tiempo determinado que generalmente es un año.
Referencia
[1] Munteanu, I., Bratcu, A. I., Cutululis, N.-A., & Ceanga, E. (2010). Optimal control of wind energy systems: Towards a global approach. Springer.
[2] Anaya-Lara, O., Jenkins, N., Ekanayake, J. B., Cartwright, P., & Hughes, M. (2011). Wind energy generation: Modelling and control: Modelling and control (1a ed.). John Wiley & Sons.
