¿Por qué los aerogeneradores giran tan despacio?

Un giro que parece lento

Las turbinas eólicas están diseñadas para captar viento. ¿Por qué estas aspas parecen tan lentas? ¿Acelerar no produciría más electricidad? Sorprende: un giro aparentemente lento puede lanzar las puntas velozmente por el aire.

Y acelerar no siempre conviene. La velocidad adecuada depende del viento, del diseño del aspa y de los límites seguros de funcionamiento.

Una punta rápida en un rotor lento

Mira dos puntos de una misma aspa: junto al buje y en la punta. Completan cada vuelta juntos, pero la punta recorre mucha más distancia. Tomemos la turbina I E A de referencia de quince megavatios, diseño de investigación publicado en dos mil veinte. Su rotor mide doscientos cuarenta metros de diámetro; gira nominalmente a unas siete vueltas y media por minuto.

Con ciento veinte metros de radio, la punta va a unos noventa y cinco metros por segundo. Pocas revoluciones trazan un círculo enorme, ocultando la rapidez de la punta. Acompañemos una sección del aspa y observemos el aire que recibe. Ese flujo relativo combina viento y movimiento del aspa, llegando en ángulo a la sección móvil.

El perfil crea sustentación perpendicular al flujo y resistencia paralela a él. Parte de la fuerza empuja el aspa en el sentido del giro y mueve el buje. Otra componente carga el rotor axialmente, y la estructura debe soportarla. La velocidad y el ángulo del aspa modifican el flujo recibido, cambiando la fuerza de giro y las cargas.

Encontrar la velocidad útil

Los ingenieros comparan velocidades de punta y viento mediante la relación de velocidad de punta. Si la punta es nueve veces más rápida, la relación es nueve, en cualquier unidad. Cada diseño de aspa y ajuste de paso tiene una zona útil para captar energía del flujo. Acelerar puede acercar el rotor a esa zona, pero seguir acelerándolo puede alejarlo.

Esa relación no determina el mejor ajuste para cada turbina. El diseño I E A distingue su punto de funcionamiento elegido del ajuste con máximo coeficiente de potencia aerodinámica, porque debe respetar los límites de carga. En la zona principal bajo la velocidad nominal del viento, controlar el par del generador regula el giro hacia la relación elegida.

El generador opone resistencia regulable al giro, permitiendo al controlador modificar la velocidad del rotor. Con vientos menores, este diseño mantiene una velocidad mínima del rotor, cambiando su estrategia de control. Incluso antes de alcanzar potencia nominal, los límites de una turbina real impiden seguir siempre una relación ideal. En condiciones nominales, el control de paso mantiene esta turbina cerca de su velocidad nominal.

Girar las aspas sobre sus ejes longitudinales cambia su ángulo al flujo, limitando la potencia captada. Aspas y torre deben resistir cargas; al flexionarse, las aspas deben mantener distancia de la torre. El controlador respeta esos límites: más viento no implica aumentar indefinidamente el giro y la producción eléctrica.

Cambiar par por velocidad

Para ver los engranajes, pasamos a la transmisión de setecientos cincuenta kilovatios del proyecto Gearbox Reliability Collaborative del N R E L. Esta referencia anterior tiene dos velocidades nominales del generador, distintas del funcionamiento variable del diseño I E A. Sigue el eje principal del buje a la caja: una etapa planetaria mueve dos de ejes paralelos. En esta prueba, ese eje da unas veintidós vueltas por minuto; el del generador, unas mil ochocientas.

La salida da unas ochenta y una vueltas y media por vuelta de entrada. El último engranaje, de ochenta y ocho dientes, cuadruplica la velocidad impulsando un piñón de veintidós. Al engranar sus dientes, el engranaje pequeño necesita dar más vueltas. Eso fija su relación de velocidades; las etapas conectadas multiplican sus relaciones hasta el generador.

La potencia mecánica equivale al par por la velocidad angular: acelerar el eje no crea potencia adicional en la caja. En una transferencia ideal y estable, más velocidad implica menos par en proporción, y la potencia se conserva. Una caja real pierde energía por fricción, así que entrega menos potencia mecánica de la que recibe. Acelerar permite acoplar el rotor a un generador rápido, que puede ser más pequeño que uno lento.

Ralentizamos el mecanismo para observarlo, manteniendo todos los ejes conectados en una misma escala temporal. La relación de engranajes explica sus giros distintos; la siguiente pregunta es cómo el generador convierte esa potencia mecánica en eléctrica.

El paso a la electricidad

Ahora usamos un modelo simple de generador: una fuente magnética giratoria y bobinas fijas. Así aislamos la inducción electromagnética, sin representar la construcción real del generador G R C. Observa el campo magnético atravesando una bobina mientras gira la fuente. El flujo magnético cambia; Faraday relaciona ese ritmo de cambio con el voltaje inducido en la bobina.

En este modelo giratorio, el flujo sube y baja cada vuelta, y el voltaje inducido cambia de sentido. El voltaje sigue el ritmo de cambio del flujo: sus picos no coinciden con los del flujo. Con el circuito abierto, el flujo cambiante aún puede inducir voltaje entre terminales. En este circuito abierto ideal no llega corriente a la carga: el voltaje solo no demuestra transferencia de potencia eléctrica útil.

Cierra el circuito con una carga: podrá circular corriente mientras el generador le transfiere energía. Esa corriente genera una respuesta magnética opuesta al cambio que la produjo, creando resistencia electromagnética al giro. El eje debe aportar trabajo mecánico contra esa resistencia para mantener la transferencia eléctrica. Así se relacionan par y generación: la fuerza de giro del rotor aporta energía,

mientras el generador y el circuito conectado determinan cómo extraerla.

Del generador a la red

La conexión eléctrica usa un modelo documentado de investigación con conversión completa basado en CART tres del N R E L, turbina de investigación avanzada de control. La electrónica de potencia enlaza el generador de funcionamiento variable con la red de alterna. En este modelo, un rectificador convierte la corriente alterna del generador en continua, que pasa por un enlace de corriente continua. Luego un inversor la convierte en alterna controlada a la frecuencia de la red.

Así pueden variar la velocidad y frecuencia eléctrica del generador sin imponer cambios a la frecuencia de red. En el esquema básico, el convertidor de red regula el voltaje del enlace de continua y la potencia intercambiada. Un transformador hace otro trabajo: cambia el voltaje de la corriente alterna. Elevar el voltaje de transmisión reduce la corriente necesaria para transportar potencia, ayudando a reducir pérdidas en las líneas del parque eólico.

La red del parque recoge la producción eólica y conecta con la red general mediante una subestación. Generador, convertidor y transformador cumplen funciones distintas en esa transferencia, después de recibir del viento la energía mecánica.

Quitar la caja de engranajes

Volvamos al diseño de referencia I E A de quince megavatios, de transmisión directa. Su rotor se une al generador sin caja multiplicadora, así que el generador trabaja a la baja velocidad del rotor. Su generador tiene un anillo de imanes permanentes en la parte exterior giratoria, alrededor de una estructura fija con bobinas. Sus numerosos polos magnéticos producen cambios repetidos al pasar por las bobinas, incluso con un giro mecánico lento.

Quitar la caja cambia cómo se acoplan rotor y generador, pero el aspa conserva su tarea aerodinámica. La transmisión directa también controla par y paso para captar energía dentro de los límites del rotor. La disposición de los engranajes describe la conexión mecánica; la del convertidor describe la conexión eléctrica. Responden preguntas distintas, y mirar solo un rotor lento no revela qué tren de potencia y sistema eléctrico hay detrás.

Volver a leer el rotor

Mira otra vez la punta recorriendo ese gran círculo. El rotor puede dar pocas vueltas por minuto con puntas veloces, porque recorren una distancia enorme por vuelta. Acelerar solo ayuda acercando la máquina a un funcionamiento útil dentro de sus límites. La potencia también depende del par y de cómo generador y sistema eléctrico transfieren energía.

Estos giros aparentemente lentos forman un intercambio controlado entre viento y red eléctrica. Al cambiar el viento, el controlador puede ajustar paso y par del generador, manteniendo el rotor dentro de su rango de diseño.