El principio de funcionamiento y la tasa de generación de energía de trabajo de las turbinas eólicas.
El principio de funcionamiento de una turbina eólica es simplemente que la energía cinética del viento (es decir, la energía cinética del aire) se convierte en energía cinética del rotor del generador, y la energía cinética del rotor se convierte en energía eléctrica.
El principio de funcionamiento de los aerogeneradores es utilizar la energía eólica como parte de la energía renovable. La tasa de crecimiento anual entre 1995 y 2005 fue del 28,5%. Según estimaciones de la Asociación Alemana de Energía Eólica (DEWI), la tasa de crecimiento anual de la generación de energía eólica se mantendrá alta, y la capacidad mundial instalada de energía eólica puede alcanzar los 150 gigavatios en 2012 o antes.
Generación de energía Los aerogeneradores aparecieron por primera vez a finales del siglo XIX. Desde la década de 1980, esta tecnología ha seguido desarrollándose y madurando para aplicaciones industriales. En las últimas dos o tres décadas, el diámetro del rotor de las turbinas eólicas típicas ha seguido aumentando y la potencia nominal también ha seguido aumentando.
A principios de la década de 2000, el rango de potencia nominal más rentable de las turbinas eólicas estaba entre 600 kilovatios y 750 kilovatios, con diámetros de rotor de entre 40 y 47 metros. En aquella época, todos los fabricantes producían este tipo de turbinas eólicas. Se desarrolla una nueva generación de aerogeneradores de megavatios basados en este tipo de máquinas.
A principios de 2007, algunos fabricantes comenzaron a producir turbinas eólicas con una potencia nominal de varios megavatios y un diámetro de rotor de unos 90 metros (como la turbina eólica Vestas V90 de 3,0 MW, la turbina eólica Nordex N90 de 2,5 MW, etc.), incluso algunos con un diámetro de 100 metros (como el aerogenerador GE de 3,6 MW). El principal mercado para estos grandes aerogeneradores es Europa. En Europa, las superficies aptas para la energía eólica disminuyen día a día, por lo que urge instalar aerogeneradores con la mayor capacidad de generación de energía posible.
Se ha diseñado y creado un prototipo de otro tipo más grande de turbina eólica diseñada para aplicaciones marinas. Por ejemplo, el aerogenerador diseñado por RE Power tiene un diámetro de rotor de 126 metros y una potencia de 5 megavatios.
1) La fuerza del viento
La energía del viento se refiere a la energía cinética del viento. La energía cinética de una masa específica de aire se puede calcular mediante la siguiente fórmula.
Energía = 1/2 X masa
Potencia = 1/2 X densidad del aire >La unidad de densidad del aire es kilogramo/metro cúbico
El área se refiere al área de la sección transversal del flujo de aire, la unidad es metros cuadrados;
La unidad de velocidad es metro/segundo.
A nivel del mar y a 15 grados centígrados, la densidad del aire seco es de 1.225 kg/m3. La densidad del aire cambia con la presión y la temperatura del aire. A medida que aumenta la altitud, la densidad del aire disminuye.
Se puede ver en la fórmula anterior que la potencia del viento es proporcional al cubo (cúbico) de la velocidad y proporcional al área barrida de la rueda de viento. Pero, de hecho, la rueda de viento sólo puede extraer una parte de la energía del viento, no toda.
2) El principio de funcionamiento de los aerogeneradores
Los aerogeneradores modernos utilizan principios aerodinámicos, al igual que las alas de un avión. El viento no "empuja" las palas de la rueda de viento, sino que sopla a través de las palas para formar una diferencia de presión entre la parte delantera y trasera de las palas. Esta diferencia de presión generará sustentación, lo que hará que la rueda de viento gire y cruce continuamente el flujo del viento. .
El rotor de un aerogenerador no puede extraer toda la potencia del viento. Según la ley de Betz, la potencia máxima que teóricamente puede extraer un motor eólico es el 59,6 de la potencia del viento. La mayoría de las turbinas eólicas sólo pueden extraer el 40% o menos de la potencia del viento.
Los aerogeneradores constan principalmente de tres partes: rueda eólica, góndola y torre. La estructura más común de turbinas eólicas de gran escala conectadas a la red eléctrica es una rueda eólica de tres palas de eje horizontal instalada en una torre tubular vertical.
(Fuente de la imagen de arriba: Asociación Danesa de la Industria Eólica)
Las palas de las ruedas eólicas están hechas de materiales compuestos. A diferencia de las pequeñas turbinas eólicas, los rotores de las grandes turbinas eólicas giran con bastante lentitud. Las turbinas eólicas relativamente simples utilizan una velocidad fija. Normalmente se utilizan dos velocidades diferentes: baja velocidad con vientos débiles y alta velocidad con vientos fuertes. Los generadores asíncronos de inducción de estas turbinas eólicas de velocidad fija pueden generar corriente alterna directamente a la frecuencia de la red.
Los diseños relativamente nuevos son generalmente de velocidad variable (por ejemplo, el motor eólico V52-850 kilovatios de Vestas Company tiene una velocidad de rotación de 14 rpm a 31,4 rpm).
Con el funcionamiento de velocidad variable, se puede mejorar la eficiencia aerodinámica de la rueda eólica, extrayendo así más energía y haciendo menos ruido en condiciones de viento débil. Por lo tanto, los diseños de motores eólicos de velocidad variable son cada vez más populares que los motores eólicos de velocidad fija.
Los sensores instalados en la góndola detectan la dirección del viento y, a través del dispositivo mecánico de dirección, la góndola y la rueda de viento giran automáticamente para enfrentar el viento entrante.
El movimiento de rotación de la rueda eólica se transmite al generador en la sala de máquinas a través de la transmisión de engranajes (si no hay transmisión de engranajes, se transmite directamente al generador). En la industria de la energía eólica, las turbinas eólicas equipadas con cajas de engranajes son muy comunes. Sin embargo, también se ha producido un desarrollo significativo en los generadores multipolares de accionamiento directo diseñados para turbinas eólicas.
Los transformadores situados en la base de la torre (o algunos situados en la sala de máquinas) pueden aumentar la tensión desde el generador hasta la red de distribución (11 kV en Hong Kong).
La producción de energía de todas las turbinas eólicas varía con el viento. Los dos métodos más comunes para limitar la producción de potencia (y por tanto la tensión sobre el rotor) en vientos fuertes son el ajuste de pérdida y el ajuste de cabeceo. Al utilizar motores eólicos con regulación de pérdida, los vientos fuertes que exceden la velocidad nominal del viento provocarán turbulencias en el flujo de aire que pasa a través de las palas industriales, lo que provocará que la rueda eólica se detenga. Cuando el viento es demasiado fuerte, el dispositivo de frenado de cola de la pala industrial funcionará para frenar la rueda de viento. Usando un motor eólico con ajuste de ángulo, cada pala puede girar con el eje longitudinal como eje, y el ángulo de la pala cambia con la velocidad del viento, cambiando así el rendimiento aerodinámico de la rueda eólica. Cuando la fuerza del viento es demasiado fuerte, las palas giran hacia el borde del aire de cara al viento entrante, lo que provoca que la rueda de viento frene.
En las palas están incrustadas bandas de protección contra rayos. Cuando las palas son alcanzadas por un rayo, la corriente del rayo puede ser conducida al suelo.
Arriba: Componentes de la góndola del aerogenerador Vestas V52-850 kW
(Fuente: Vestas)
3) Curva de potencia del aerogenerador
Cuando la velocidad del viento es muy baja, el rotor de la turbina eólica permanecerá estacionario. Cuando se alcanza la velocidad del viento (normalmente de 3 a 4 metros por segundo), la rueda de viento comienza a girar y tira del generador para comenzar a generar electricidad. A medida que el viento sea más fuerte, la potencia de salida aumentará. Cuando la velocidad del viento alcance la velocidad nominal del viento, la turbina eólica generará su potencia nominal. Después, la potencia de salida permanecerá aproximadamente sin cambios.
Cuando la velocidad del viento aumenta aún más y alcanza la velocidad del viento de corte, la turbina eólica frenará y ya no producirá energía para evitar daños.
El rendimiento de los aerogeneradores se puede expresar mediante curvas de potencia. La curva de potencia se utiliza para mostrar la potencia de salida del motor eólico a diferentes velocidades del viento (velocidad del viento de activación a velocidad del viento de desconexión).
Arriba: Curvas de trabajo del aerogenerador V52-850 kilovatios a diferentes niveles de ruido (el nivel de ruido se puede cambiar cambiando la velocidad del aerogenerador)
(Fuente: Vestas)
Para seleccionar un aerogenerador adecuado para una ubicación específica, el método general es utilizar la curva de potencia del aerogenerador y los datos del viento de la ubicación para estimar la producción de energía. . (Más información relevante en la sección Gran Aerogenerador - Potencial de Recursos)
4) La potencia de salida nominal del aerogenerador
La potencia de salida nominal del aerogenerador se combina con una específico Depende del ajuste de velocidad nominal del viento. Dado que la energía es proporcional al cubo de la velocidad del viento, la potencia de una turbina eólica variará mucho con la velocidad del viento.
Los motores eólicos con la misma estructura y diámetro de rotor pueden equiparse con generadores de diferentes tamaños. Por lo tanto, dos aerogeneradores de la misma construcción y diámetro de rotor pueden tener valores de potencia nominal de salida bastante diferentes, dependiendo de si están diseñados para zonas de viento fuerte (con generadores más grandes) o zonas de viento débil (con generadores más pequeños).
5) Principales tipos de aerogeneradores
Aerogeneradores de eje horizontal y aerogeneradores de eje vertical
Según la orientación del eje fijo de las palas, el viento turbinas Se puede dividir en dos categorías: de eje horizontal y de eje vertical. Cuando el motor eólico de eje horizontal está funcionando, la dirección del eje giratorio es consistente con la dirección del viento, y la dirección del motor eólico de eje vertical está en ángulo recto con la dirección del viento.
Los motores eólicos de eje horizontal normalmente necesitan cambiar constantemente de dirección para mantenerse constantes con la dirección del viento. Este no tiene por qué ser el caso de las turbinas eólicas de eje vertical, ya que pueden recoger energía eólica desde diferentes direcciones.
Las turbinas eólicas de eje horizontal ocupan una posición predominante en el mundo.
Generador eólico a barlovento y generador eólico a favor del viento
Un generador eólico a barlovento es un generador eólico de eje horizontal con la rueda eólica orientada hacia el viento entrante. Para los motores de viento a favor del viento, el viento entrante sopla desde la parte posterior de la rueda de viento. La mayoría de las turbinas eólicas son del tipo contra el viento.
Aerogeneradores de una, dos y tres palas
El número de palas está determinado por muchos factores, entre ellos la eficiencia aerodinámica, la complejidad, el coste, el ruido, los requisitos estéticos, etc. . Los grandes aerogeneradores pueden estar compuestos por 1, 2 o 3 palas.
Los aerogeneradores con menos palas suelen requerir mayores velocidades para extraer energía del viento, y por tanto hacen más ruido. Y si hay demasiadas hojas, interactuarán entre sí y reducirán la eficiencia del sistema. En la actualidad, las turbinas eólicas de tres palas son la corriente principal. Desde un punto de vista estético, un aerogenerador de 3 palas parece más equilibrado y hermoso.
6) Parque eólico terrestre
El sistema de energía eólica terrestre puede tener solo una turbina eólica o varias turbinas eólicas dispuestas linealmente o en forma cuadrada para formar un parque eólico.
Los aerogeneradores del parque eólico deben estar lo suficientemente separados entre sí para evitar una interacción turbulenta excesiva o reducir seriamente la potencia de salida de los aerogeneradores traseros debido al "efecto estela".
Para transportar equipos grandes (especialmente palas) al lugar de instalación, es necesario construir carreteras. También es necesario construir líneas de transmisión para conectar la salida del parque eólico al punto de acceso a la red.
7) Instalaciones de energía eólica en todo el mundo
A finales de 2005, la capacidad total instalada de energía eólica en el mundo alcanzó los 58 gigavatios. Alemania, España, Estados Unidos, India y Dinamarca son los primeros países en términos de capacidad instalada de energía eólica. En Dinamarca, la energía eólica proporciona el 20% del consumo eléctrico total del país. La primera turbina eólica a gran escala de Hong Kong fue instalada en la isla de Lamma por el Hong Kong Electric Group a finales de 2005 y se puso oficialmente en funcionamiento en febrero de 2006. La potencia nominal de salida de la máquina es de 800 kilovatios.