Sobre el control de potencia de turbinas

Se puede decir que existen tantos métodos de control de la potencia generada por una turbina como tipos de turbinas existen y estos son muy muy numerosos. Cuando la turbina es accionada mediante el uso de algún combustible (turbinas de gas o de vapor) normalmente es posible regular el flujo del fluido y la cantidad de combustible. En otras ocasiones como es el caso de las turbinas hidráulicas o eólicas esto no siempre es posible, por lo que se suele recurrir a diseños con álabes orientables. En ese caso el papel del control consiste en maximizar la potencia obtenida del fluido (aire o agua) en cada momento y se realiza variando el ángulo de los álabes.
Existen casos, como las turbinas de baja potencia, en los que económicamente no merece la pena invertir en un diseño de álabes orientables. Sin embargo, el desarrollo en las últimas décadas de los sistemas electrónicos de potencia ha abierto una nueva posibilidad a estas turbinas al permitir adaptar su punto de funcionamiento de forma electrónica a través del control de par del generador eléctrico. Éste método es conceptualmente idéntico al empleado en los frenos eléctricos regenerativos instalados desde hace mucho en los trenes y que comienzan a aparecer en los coches eléctricos o híbridos. Tras la serie de artículos sobre “técnicas de maximización de potencia fotovoltaica” ofreceremos en “Polo Estable” un artículo o serie de artículos sobre frenos regenerativos y tecnología híbrida.

Para comprender la necesidad de control de una turbina (sea del tipo que sea) y poder abordar correctamente el problema, es necesario comprender algunos principios básicos y el origen de las distintas curvas de par y de potencia. En concreto hay que distinguir las curvas de par y de potencia máximos (de naturaleza artificial) y las curvas de par y de potencia propias para una velocidad concreta del fluido. Éstos conceptos son los que tratamos de explicar en este artículo.

Si nos centramos en el problema fluido-dinámico que gobierna el comportamiento de una turbina (prescindiendo del generador eléctrico), tenemos que para una velocidad concreta del viento la turbina nos genera un determinado par en función de las revoluciones a las que gire. Dichas curvas tienen la forma indicada en la siguiente figura:

Par frente a velocidad angular

Con esta curva podemos saber en qué velocidad angular se estabilizará la turbina dependiendo del par resistente que apliquemos al eje. Cuando el par resistente sea igual en módulo (sentido contrario) al generado por la turbina ésta conservará su velocidad angular (punto de equilibrio). Cuando el par resistente sea menor, la turbina acelerará hacia el punto de equilibrio y cuando el par resistente sea mayor que el generado por la turbina, la frenará acercándose también hacia el punto de equilibrio. Esto es lo que se muestra en la siguiente figura donde la línea horizontal es un par resistente constante en sentido contrario al generado por el viento.

Par generado por el viento y par resistente

En los sistemas de generación de energía eléctrica, el par resistente es el generado por el campo electromagnético del generador, que depende de la intensidad que circule por el rotor y/o estator (dependiendo del tipo de generador que se utilice). La pregunta que surge es la siguiente: ¿Qué par resistente es conveniente aplicar a la turbina?. Si la curva de par se multiplica por la velocidad angular, se obtiene la potencia mecánica que la turbina está obteniendo del viento (ver siguiente figura). Dicha potencia es nula si la turbina no gira y es nula también si se deja girar libremente sin encontrarse ninguna resistencia. En medio de estas situaciones existe una velocidad para la que la potencia generada es máxima. Dicho punto, trasladado a la curva de par nos indicará el par resistente que se debe ejercer sobre la turbina para sacarle la máxima potencia posible.

Potencia y par generados por la turbina.

Lógicamente, si la velocidad del viento cambia, el par generado cambiará con ella. De manera que para distintas velocidades del viento tenemos distintas curvas de par cada una de las cuales proporciona una curva de potencia con un máximo y un par óptimo que maximiza la potencia. Uniendo todos los puntos obtenemos una curva que nos indica el par resistente óptimo que maximiza la potencia en función de la velocidad angular.

Obtensión de la curva de par óptimo.

Dicha curva de par óptimo, a menudo llamada a secas “curva de par”, es característica de la turbina y es de las más representativas de su funcionamiento y capacidad junto con la “curva de potencia máxima” o sencillamente “curva de potencia” que se obtiene multiplicando la curva de par por la velocidad angular (o bien uniendo los puntos de potencia máxima en las curvas de potencia de la gráfica).

Vista la importancia de comprender estos conceptos, queda aún decir que existen distintas formas de implementar el control de potencia de las turbinas de álabes fijos. El más intuitivo es un control basado en modelo, que exige conocer las curvas características de la turbina y que consistiría en ajustar el par al valor adecuado a la velocidad angular o a la velocidad del viento (que habría que medir). No obstante, existen otros métodos de control como el “MPPT” que venimos explicando el “Polo Estable”. Estas técnicas son utilizadas principalmente en instalaciones fotovoltaicas, pero son aplicables también a generadores eólicos, pilas de combustible, etc. Tienen el inconveniente de ser más difíciles de implementar, aunque pueden ahorrar el complejo estudio fluido dinámico que encierra la obtención de la curva de par de la turbina y tienen la ventaja de adaptarse a los valores reales de potencia y no a los teóricos ofrecidos por el modelo.

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2 comentarios en “Sobre el control de potencia de turbinas”

  1. juan Says:

    disculpa, ¿me podrían enviar los cálculos de cómo se obtiene la gráfica y el modelado de las curvas de potencia-velocidad angular?

    • Javier Barro Says:

      Eso depende del tipo de turbina de que estemos hablando, si es de acción o de reacción, axial, radial, transversal o mixta, de la geometría de los álabes…

      Por lo general esas curvas las proporciona el fabricante con una exactitud aproximada. Si quieres calcularlo tú tienes dos opciones:
      1.- Calcularlas de forma experiental (por ejemplo, con una maqueta a escala en un tunel de viento mides el par ejercido para las distintas relaciones Velocidad_del_viento/Velocidad_angular).

      2.- Realizar un estudio mediante simulación numérica. Esto se hace típicamente con programas de simulación mediante el método de elementos finitos (FEM).

      Por desgracia no se trata de un par de formulitas en función del radio de la turbina que se puedan poner aquí.

      Saludos.


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