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Control de la calidad de potencia en sistemas de conversión de energía eólica

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Las turbinas eólicas
Se clasifican los distintos tipos de turbinas empleadas para la conversión de la energía eólica. Se deduce el límite teórico del rendimiento de conversión. Se describen las distintas fuerzas a las que son sometidas las turbinas eólicas. Se definen los coeficientes de conversión, en funciónde la relación entre las velocidades de la turbina y del viento. Se analizan las cargas aerodinámicas sobre las turbinas debidas a la incidencia de la torre sobre el flujo de aire, a la variación del viento con la altura, a la desalineación entre la turbina y la dirección del viento, y a la turbulencia.

3.1 Tipos de turbinas eólicas
Las turbinas eólicas son dispositivos que, mediante surotación, convierten la energía cinética del viento en energía mecánica. Suelen clasificarse según el tipo de fuerza aerodinámica que provoca el giro del rotor. El origen de estas fuerzas se estudiará en §3.2.3. Así, hay turbinas que son impulsadas por la fuerza de arrastre aerodinámico y otras por la fuerza de sustentación aerodinámica. Las primeras se caracterizan por su operación con elevado paraerodinámico y baja velocidad. Esto es, la velocidad tangencial de las palas es menor a la velocidad del viento. Por otro lado, las turbinas de alta velocidad están impulsadas por la fuerza de sustentación aerodinámica, y tienen el mismo principio de funcionamiento que los perfiles alares de los aviones. Las turbinas generadoras de electricidad modernas son de este último tipo, principalmente debidoa su mayor eficiencia (Walker y Jenkins, 1997). Las turbinas suelen ser clasificadas también de acuerdo a la disposición de su eje de rotación. Las más comunes son las turbinas de eje horizontal (Figura 3.1.a), que constan de una, dos o tres palas. Tienen la ventaja de que las palas están situadas a elevada altura, con lo cual la velocidad media del viento es mayor, y la intensidad de turbulenciaes menor, que a nivel del terreno. Las turbinas de eje horizontal pueden

2000

Universidad Nacional de La Plata

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clasificarse a su vez según la disposición del rotor, que puede estar ubicado por delante o por detrás de la torre (Gipe, 1995; Clarke, 1991). También existen turbinas de eje vertical (Figura 3.1.b). Éstas tienen la ventaja de que no requierenmecanismos de orientación. Además, el generador y la caja de engranajes se encuentran a nivel del terreno, facilitando el montaje y mantenimiento. Sin embargo, tienen una seria desventaja: el par aerodinámico varía fuertemente con la posición de las palas, aún con viento constante. Ésta es una importante causa de fatiga de las palas y del sistema de generación, y de serios problemas de calidad de lapotencia suministrada (Sharpe, 1990; Gipe, 1995; Dessaint et al., 1986). La Tabla 3.1 resume las principales características de las turbinas utilizadas en la actualidad.

W

(a)

(b)

Figura 3.1: Turbinas de eje (a) horizontal y (b) vertical.

Tabla 3.1: Características de las turbinas eólicas más comunes. Tipo Eje Fuerza Uso Velocidad Eficiencia Alta Alta Baja Baja 0,42 0,40 0,30 0,15Par Bajo Bajo Alto Alto

bi- y tripala Horizontal Sustentación Electricidad Darrieus, H Vertical Sustentación Electricidad Multipala Horizontal Arrastre Electricidad y bombeo Savonious Vertical Arrastre Bombeo 14 Hernán De Battista

Tesis Doctoral

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3.2 Aerodinámica de las turbinas eólicas
3.2.1 Nocionesbásicas de aerodinámica
La aerodinámica describe las fuerzas desarrolladas por los flujos de aire. Si se consideran flujos estacionarios, toda partícula que llegue a un punto cualquiera P en el espacio lo hará con la misma velocidad y dirección. Por lo tanto, la trayectoria seguida por una partícula que pase por el punto P, será seguida por cualquier otra partícula que alcance dicho punto. Dicha...