Los parámetros básicos en el diseño de un Aerogenerador son:
- La potencia máxima que entregará a la red.
- El régimen de vientos del sitio donde se va a erigir.
El régimen de vientos de un lugar está descrito como una función estadística llamada de Weibull. La siguiente figura muestra en ordenadas el porcentaje tiempo (en horas por año) en que el viento está en el rango indicado en las abcisas.
En el sitio al que corresponde la distribución de la figura anterior, la velocidad más probable del viento está entre 4 y 5 m/s.
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Si aplicamos la formula anterior a la distribución de vientos del sitio, obtenemos una función de distribución de la potencia obtenible de este sitio, como muestra la figura siguiente.
Es claro que existe un velocidad "favorita" de producción, alrededor de 10 m/s, de forma que éste parece un buen valor para el diseño de un aerogenerador para este sitio. Este pasa a ser el "Viento Nominal" ("Nominal Wind" en inglés)
La segunda condición define las características del generador eléctrico a utilizar en el aerogenerador, y toda la circuiteria de Electrónica de Potencia asociada, si es que la hay. Este valor es la "Potencia Nominal" ("Nominal Power" en inglés).
La longitud de las palas debe ser tal que con la velocidad nominal del viento tengamos la Potencia Nominal. Este condicionante tiene una importante consecuencia: para vientos superiores al viento nominal, la potencia que puede ser extraída del viento es mayor que la potencia nominal del generador eléctrico.
Descripción del funcionamiento del tren de potencia de un Aerogenerador
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En ella se ve que la PotenciaExtraidaDelViento es directamente proporcional a
- La densidad del aire.
- El área barrida por las palas, es decir, proporcional al cuadrado de la longitud de las palas. Es decir, incrementando la longitud de la pala un 40 % (1.4) la potencia extraída del viento será el doble (1.4 x 1.4 = aprox. 2).
- Al cubo del viento. Es decir, si el viento pasa de 5 m/s a 10 m/s la potencia que podemos extraer del viento se multiplica por 8. La potencia que realmente extraemos depende de otro factor, el Cp, que también depende de la velocidad del viento.
El cuarto componente, Cp, conocido como coeficiente aerodinámico, es una función compleja que depende de:
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c) el angulo de ataque de las palas sobre el viento (Pitch en inglés)
En Descripción de la función Cp (coeficiente aerodinámico) se hace una presentación detallada de esta función.
El valor máximo de la función Cp está alrededor de 0.49 y depende del diseño de la pala. Utilizando este valor podemos hacer un gráfico como el mostrado en la siguiente figura, que nos da la potencia máxima extraíble del viento en función de la longitud de la pala.
En la figura se ha dibujado también una línea horizontal correspondiente a una determinada potencia nominal (Target, en este caso 2.000.000 W)
De este gráfico se pueden obtener las siguientes conclusiones:
- La gran influencia de las velocidades de viento superiores a la nominal .
Es decir, si mantenemos las condiciones (velocidad de giro de las palas y angulo de ataque) de tal forma que el Cp sea siempre el máximo, entonces un viento un 10% por encima del nominal ofrece una potencia de mas del 33% sobre la potencia nominal. Si el viento sube un 50 % (hasta 15 m/s en la figura) la potencia obtenible es de un 337% de la nominal. Por ejemplo, tomando el caso de un radio de pala de 48 m con una potencia nominal de 2MW a 10 m/s, un incremento de viento hasta 12 m/s implica que la potencia disponible pasaría a ser de casi el doble (3.8Mw). Como conclusión se ve que es necesario controlar el valor de Cp para cada valor del viento, de forma que, para vientos superiores al nominal, la potencia realmente extraída del viento corresponda con la nominal y no la obtenible. Ver siguiente gráfico.
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- Comportamiento frente a ráfagas de viento (wind gusts en inglés)
Si ocurre una ráfaga (entendida como subida rápida de viento (ver Ráfagas de viento (Wind gusts) ) pero el viento en ningún momento supera el Viento Nominal, la potencia extraíble del viento no superará la nominal y, por tanto, no existirá peligro para el generador eléctrico.
Sin embargo si el algún momento el viento supera el nominal y crece rápidamente, el aerogenerador debe disponer de un mecanismo rápido que permita controlar el Cp en todo momento, de forma que la potencia realmente extraída del viento no supere la nominal, excepto durante periodos de tiempo predeterminado. Este concepto es clave para entender como funciona un aerogenerador DFIG. Es decir, la ráfaga más rápida esperable condiciona la capacidad de cambio del mecanismo del Cp (básicamente el angulo de ataque de las palas).
- Adaptación del aerogenerador para regímenes de vientos bajos.
Si el emplazamiento del aerogenerador tiene un régimen de vientos bajo se debe adaptar el aerogenerador para los mismos. Para ello la única opción consiste en aumentar el radio de las palas. En el gráfico anterior se puede ver que para mantener la misma potencia nominal y reducir el viento nominal de 10 m/s (curva azul) a 9 m/s (curva verde) tenemos que incrementar el radio de la pala de 48 m a 55 m. Es decir, para reducir el viento nominal un 10% hemos de incrementar el radio un 14.6%. Si quisiéramos reducirlo hasta 8 m/s, el radio debe incrementarse hasta 68 m: es decir, reducir un 20% el viento nominal implica incrementar el radio un 41.7 %. Esto tiene un importante impacto no solo en el precio del aerogenerador sino también en las condiciones de instalación y transporte.
