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Energía eólica
Las turbinas eólicas convierten la energía cinética del el
viento en energía mecánica que puede convertirse en energía eléctrica con un
generador. La potencia normalmente es generada vía un generador de inducción o
con un generador síncrono. Los generadores síncronos son típicamente
interconectados a la red a través de electrónica de potencia. La salida de
potencia está típicamente entre 10 kW y 2,5 MW y la energía eólica. La potencia
solamente se genera cuando sopla el viento. Como con los sistemas
fotovoltaicos, no hay costes de combustibles, pero se requiere mantenimiento
periódico de las turbinas eólicas.
Configuraciones del sistema eólico
En las últimas dos décadas, la energía eólica ha madurado a
un nivel de progreso tecnológico hasta el punto que ya es unta tecnología de
generación totalmente aceptada. El crecimiento mundial en los últimos años es
de aproximadamente un 30 % anual, y la energía eólica está jugando un papel
cada vez más importante en la generación de electricidad. Los componentes
principales de un sistema de turbina eólica son las aspas, generador,
transformador y electrónica de potencia.
La tecnología de turbinas eólicas modernas puede dividirse
en tres categorías: 1) Sistemas sin electrónica de potencia; 2) sistemas con
electrónica de potencia clasificada parcialmente; y 3) los sistemas con
electrónica de potencia en gran escala para conexión con turbinas eólicas.
Los sistemas sin electrónica de potencia usan un generador
de inducción. La turbina eólica hace girar el eje del rotor de un generador de
inducción de rotor en jaula de ardilla conectado directamente a la red sin
comunicación de electrónica de potencia. Esta turbina eólica debe operar a velocidad
constante (con una variación permitida de 1 – 2 %) y ajusta la velocidad del
rotor controlando la inclinación de las aspas de la turbina eólica. La máquina
de inducción requiere energía reactiva para operar que puede ser suministrada
por la red pública o por condensadores conectados en los terminales de las
máquinas. Estas máquinas no pueden transmitir energía reactiva y generalmente
requieren un arrancador suave para reducir la corriente de entrada durante el
arranque.
Los sistemas con electrónica de potencia parcialmente
clasificada, requieren una máquina de inducción de rotor bobinado donde estén
accesibles tanto el devanado del rotor como del estator. La potencia del rotor
girando (a la frecuencia de deslizamiento) es colectada vía anillas deslizantes.
La salida del generador pasa a través de un PE basado en rectificador y sistema
de inversor, transformando la frecuencia variable en energía AC compatible con
la red con el voltaje y frecuencia apropiados.
Una resistencia extra
controlada por electrónica de potencia debe añadirse al rotor, dando un
rango de velocidad de 2 – 4 %. Esta solución también necesita un arrancador
suave para reducir la afluencia de corriente durante el arranque.
Un convertidor de potencia de escala media con un generador
de inducción de rotor bobinado, conocido como doubly-fed induction generator
(DFIG). Un convertidor de potencia conectado al rotor a los anillos deslizantes
controla las corrientes del rotor. Este diseño permite a la turbina eólica
tener alguna cantidad de operación de velocidad variable. Si el generador está
funcionando super-sincrónicamente, la potencia es transmitida a través tanto
del rotor como del estator. Si el generador está funcionando
sub-sincrónicamente, la potencia eléctrica sólo es transmitida en el rotor
desde la red. La solución es naturalmente un poco más cara comparada con las
soluciones clásicas. La ventaja de este diseño es que proporciona
compensación/producción de energía reactiva y captura incrementada de energía
desde el viento. Esta disposición permite al devanado del estator del generador
estar subdimensionado en aproximadamente un 25 %, con la electrónica de
potencia completando la diferencia de potencia desde la potencia del rotor.
Un tercer tipo de diseño de turbinas eólicas usa electrónica
de potencia en gran escala para comunicar la turbina eólica a la red. El
sistema de generación usa un generador síncrono de magnetismo permanente para
convertir la potencia de la turbina eólica a voltaje y frecuencia variables
según la velocidad del viento. Un rectificador PE e inversor se usan para
convertir la salida a capacidad completa de la máquina en potencia que sea
compatible con el sistema de distribución. Esta topología causa pérdidas extras
en el sistema de conversión de potencia, pero proporcionará ganancia de
potencia adicional a través del rendimiento técnico añadido al sistema. Este
diseño permite a la turbina eólica operar en modo de velocidad variable,
permitiendo que se capture más energía del viento.
Topologías de electrónica de potencia
Una topología de electrónica de potencia con generador
síncrono de magnetismo permanente puede usar voltaje variable trifásico, salida
de frecuencia variable de la turbina eólica rectificada usando un puente de
diodo. Con el cambio en la velocidad del generador síncrono, el voltaje del
lado DC del rectificador de diodo cambia. Para mantener un voltaje de conexión
DC constante al inversor se usa un step-up chopper para adaptar el voltaje
rectificado. Desde la entrada DC al inversor, el sistema del generador/rectificador
es luego añadido como una fuente de corriente ideal. Esta señal de salida
rectificada desde el puente de diodo se filtra en una forma de onda DC uniforme
usando un gran condensador. La señal DC luego se invierte mediante el uso de
interruptor semiconductor en forma de onda 50/60 Hz trifásica. Esta forma de
onda puede escalarse usando un transformador a los niveles de voltaje
requeridos por la distribuidora AC. El generador es desacoplado de la red por
la conexión DC de fuente de voltaje; por lo tanto este sistema de comunicación
o interface PE proporciona unas características controlables excelentes para el
sistema de energía eólica. El convertidor de potencia a la red permite un
rápido control del a energía activa y reactiva. Sin embargo, el lado negativo
es un sistema más complejo donde se requiere electrónica de potencia más
sensible.
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