Generadores para Aplicaciones de Turbinas Eólicas-Parte 2: Cómo Elegir Uno

Diferentes tipos de generadores

Hay varios tipos de generadores que se pueden acoplar a pequeñas turbinas eólicas: los más importantes son los de corriente continua o corriente alterna y los síncronos o asíncronos que funcionan con imanes permanentes o excitación de campo eléctrico, respectivamente. La elección depende de varios factores, como la aplicación (independiente o conectada a la red), el tipo de carga, la capacidad de fabricación, la potencia nominal de salida, la velocidad de la turbina y el costo. Sin embargo, todas estas máquinas eléctricas son dispositivos electromecánicos que funcionan según la ley de Faraday de inducción electromagnética.

Síncrono vs. Asíncrono

Como se explica en la precuela de este artículo, la parte giratoria de un generador contiene algún tipo de componente que crea un campo magnético. Por lo tanto, constituye polos giratorios. Hay dos tipos de componentes que pueden cumplir esta tarea.

En los llamados generadores síncronos, encontraremos imanes permanentes simples. Son similares a los imanes de herradura o al tipo de imán que se puede pegar a una nevera. El tipo de generador que utiliza imanes permanentes se conoce como síncrono porque el rotor y el campo magnético giran con la misma velocidad. Los generadores síncronos suelen tener una alta densidad de potencia y una masa baja, por lo que se utilizan cada vez más en aplicaciones de turbinas eólicas. Los desafíos impuestos por estos generadores son que bajo un desarrollo de calor extremo, los imanes permanentes pueden desmagnetizarse, haciendo que el generador sea inútil, y que no pueden producir electricidad con una frecuencia fija. Esto se debe a la variabilidad de las velocidades del viento y a la rotación a la misma velocidad. Por lo tanto, estos generadores requieren convertidores de potencia rectificadores.

La contraparte de synchronous son generadores asíncronos. Crean un campo eléctrico que no utiliza imanes permanentes, sino bobinas extra. La ley de Faraday sugiere que una corriente eléctrica y un campo magnético siempre existen juntos. Esto nos permite utilizar un campo magnético para inducir corriente eléctrica de la manera que se detalla aquí, pero también nos ayuda a crear un campo magnético enviando una corriente a través de una bobina. Esto es exactamente lo que hacen los generadores asíncronos. Por lo tanto, este tipo de generador necesita un suministro de energía específico para los imanes, pero es menos propenso a sufrir daños y puede ser más confiable que su homólogo. Además, tiene un mayor grado de amortiguación para que pueda absorber las fluctuaciones de velocidad del rotor con mucha más facilidad.

Dinamos vs Alternadores

La principal diferencia entre los dínamos y los alternadores es el tipo de corriente que producen: los dínamos producen una corriente continua (CC), mientras que los alternadores producen una corriente alterna (CA) que cambia constantemente la dirección del flujo.

Para una configuración de generador muy básica, hemos aprendido en la precuela de este artículo que la salida de energía producida será electricidad de CA. La parte que permite que una dinamo produzca energía de CC sin rediseñar completamente el concepto se llama conmutador. En su forma más simple, es básicamente un interruptor fijo que se conecta y desconecta a los dos contactos finales diferentes del circuito de alimentación del generador a medida que el eje gira. Esto permite que el conmutador cambie constantemente la polaridad de la corriente de salida para que, al final, la salida sea siempre de la misma polaridad.

La principal ventaja de las dinamos que producen corriente continua es que la mayoría de nuestros dispositivos eléctricos necesitan alimentación de CC para funcionar. Esto significa que si genera energía de CA, siempre necesitará un convertidor de energía para usar la electricidad en su hogar.

Sin embargo, los alternadores que producen energía de CA están más extendidos hoy en día. La razón de esto es que la electricidad de CA es mucho más sencilla y más eficiente de transmitir a través de grandes líneas eléctricas. Convertir la energía de CA a tensiones extremadamente altas para el transporte y luego reducirla a niveles utilizables de nuevo es fácil y se puede hacer sin pérdidas de energía significativas. Lo mismo es muy difícil de hacer con las corrientes de CC. Una vez que ha llegado a la ubicación deseada para el consumo, la alimentación de CA se puede transformar fácilmente en CC de nuevo.

Estándar en energía eólica: Generadores síncronos de imán permanente

El tipo de generador más utilizado en turbinas eólicas son los generadores síncronos de imán permanente. Esto se debe a que en los últimos años, han ganado en atractivo debido a la mejora del rendimiento y la disminución de los costes.Especialmente para turbinas de accionamiento directo, son competitivas porque pueden tener un mayor número de polos de 60 o más polos en comparación con un generador sincrónico convencional. Esto significa que a pesar de velocidades de rotación más bajas, se puede lograr una frecuencia de salida de potencia razonable.

Durante el funcionamiento normal, los generadores de imanes permanentes son estables y seguros y, lo que es más importante, no necesitan una fuente de alimentación adicional para que el circuito de excitación proporcione un campo magnético. Esto hace que el diseño y la conexión eléctrica sean mucho más simples y elimina las pérdidas de excitación del rotor que pueden representar entre el 20 y el 30% de las pérdidas totales del generador. En consecuencia, la densidad de potencia es alta y el generador sigue siendo pequeño y eficiente. Esto es atractivo porque, dado que el riesgo de desmagnetización se trata adecuadamente, promete un bajo costo de por vida y pocos problemas o mantenimiento.

La curva de potencia

Aunque parezca simple, la conexión entre una turbina eólica y un generador no es solo una conexión mecánica con un eje y una caja de cambios. Para lograr un rendimiento satisfactorio, las curvas de potencia de la turbina de viento y del generador deben coincidir.

En términos generales, hay diferentes tipos de potencia, pero tienen el vatio de la unidad física. Hay una potencia mecánica, contenida primero en el viento, luego en cuchillas giratorias y luego, hay energía eléctrica.

Por un lado, la potencia mecánica de rotación contenida en las palas giratorias de una turbina eólica se calcula como la velocidad de rotación del rotor multiplicada por su momento de rotación. La velocidad es esencialmente la frecuencia con la que el eje gira dentro de un período de tiempo fijo, mientras que el momento corresponde a la cantidad de ‘resistencia’ o momento de inercia contra el que se puede girar el eje. Para visualizar el momento, imagina que giras un lápiz con la mano. Si lo sostienes suelto, será muy fácil hacerlo. Si tomas un agarre más estrecho, necesitarás hacer más esfuerzo para que el lápiz siga girando a la misma velocidad que antes. Lo que sucede es que necesitas aplicarle un momento alto porque tu apretón para detener el movimiento de rotación actúa similar a un momento de inercia alto.

Por lo tanto, la potencia del rotor de la turbina eólica depende de la velocidad de rotación y del momento actual en cualquier momento. Por supuesto, la potencia de salida no siempre es exactamente la misma. Cambia significativamente a medida que aumenta o disminuye la velocidad del viento. Estas oportunidades forman una llamada curva de poder.

Por otro lado, la energía eléctrica se calcula como el voltaje de un dispositivo multiplicado por su corriente. En pocas palabras, lo que sucede en un generador es que extrae una parte de la energía contenida en la rotación para transformarla en energía eléctrica. La cantidad de energía que se puede extraer depende obviamente de la cantidad de energía que está presente. El problema es que, por sí solo, un generador no sabe cuánta potencia de rotación hay.Lo que puede hacer, sin embargo, es obtener información de un sensor de viento para conocer la velocidad del viento actual. Gracias a la curva de potencia de la turbina, su potencia de rotación actual puede derivarse directamente de dicha velocidad del viento. Así que ahora, podemos decidir cuánta energía debe extraer el generador a cualquier velocidad de viento y programar lo que haga. Al hacer eso, le damos su propia curva de potencia.

Energía y potencia de salida: ¿cuál es la diferencia?

Un error común cuando la gente habla de turbinas eólicas es que confunden energía con producción de energía. La diferencia es la siguiente: La potencia de salida nos dice cuánta energía se produce en comparación con un período de tiempo específico. La producción de energía nos dice cuánta energía se produce realmente. La unidad que se utiliza para indicar la salida de energía es por lo general kWh-kilo de vatios-hora. Una producción de energía de un kilo vatio-hora podría significar que dentro de una hora, un dispositivo eléctrico ha obtenido exactamente mil vatios de electricidad o que dentro de media hora, ha producido dos mil vatios de electricidad.

Así que si quieres decirle a alguien cuánta energía ha producido tu turbina eólica el año pasado, podrías decir ” mi turbina ha producido 400 kWh – ¿no es genial?”. En este contexto, hablar de poder tendría poco sentido. Por lo general, comparar la potencia de salida sería útil, por ejemplo, cuando se comparan dos tipos diferentes de turbinas que operan en las mismas condiciones ambientales. Si tiene sentido hablar de energía o de producción de energía depende en gran medida de la situación. Sin embargo, conozca sus unidades: use vatios cuando hable de potencia y kilo vatio – hora cuando hable de energía.