¿Qué es la potencia de salida de un aerogenerador y cómo aumentarla?

La potencia de salida de un aerogenerador es la cantidad de energía eléctrica generada por un aerogenerador. Esta energía renovable suele medirse en megavatios (MW) en el caso de las turbinas de escala industrial de los parques eólicos. Varios factores influyen en la potencia de salida de un aerogenerador, como la velocidad del viento, la densidad del aire, el diseño de las aspas y la eficiencia de los componentes de la turbina.

La potencia de salida del aerogenerador puede calcularse con la fórmula P = 0,5 * ρ * A * Cp * v3, donde P es la potencia en vatios, ρ es la densidad del aire (en kg/m3), A es el área barrida en metros (calculada por pi R² o πR² donde R es la longitud del aspa), Cp es el coeficiente de potencia y v es la velocidad del viento en metros/segundo.

La capacidad de salida puede variar significativamente en el caso de los aerogeneradores a escala industrial. Sin embargo, las turbinas terrestres suelen tener entre 2 y 5 megavatios (MW), mientras que las marinas suelen tener entre 8 y 12 MW, y algunas turbinas de nueva generación alcanzan los 26 MW. 


Una vez colocado, comisionado y en funcionamiento, el método principal para aumentar la salida de un generador de aerogenerador es por medio de importantes actualizaciones de hardware en la unidad. Puede ser un programa largo, difícil y costoso para muchos operadores eólicos que quizá no dispongan de los recursos necesarios para emprender semejante esfuerzo o no se sientan con la suficiente confianza en los resultados que produciría. Afortunadamente, el despliegue de estrategias de control avanzado modernas puede mejorar la producción de energía de la aerogenerator, sin alterar ningún componente mecánico, lo que la hace altamente efectiva y rentable.

Mejorar la eficiencia de la aerogenerator a menudo conduce a un aumento en la producción de energía, a medida que la mayor parte de la energía del viento se convierte en electricidad. La siguiente discusión se centra principalmente en aumentar la producción de energía anual (AEP) por medio de tecnologías de control avanzado personalizadas.

Solución de control avanzado: Aumento de potencia
El algoritmo de aumento de potencia mejora la parte inicial de la curva de potencia nominal al incrementar el punto de ajuste de potencia mientras se transita desde el rango subnominal. El aumento momentáneo agrega una fracción de un porcentaje de AEP en cada transición y es más frecuente en condiciones con más viento. Lo que es más importante, no hay compensaciones significativas asociadas a la utilización de esta función de control avanzado.

Solución de control avanzado - Repotenciación
La solución de repotenciación está diseñada para mejorar la salida de potencia de las aerogenerators mediante dos enfoques diferentes: repotenciación máxima y repotenciación balanceada. Ambos métodos tienen como objetivo aumentar la producción de energía anual, aunque tienen consideraciones y compensaciones específicas. Una característica importante de esta opción es la posibilidad de activar manual o automáticamente esta función cuando ciertas condiciones operativas o del mercado son ideales para contrarrestar la compensación sobre el desgaste mecánico. Debe tenerse en cuenta que, por cada uno de ellos, puede ser necesaria una capacidad eléctrica auxiliar adicional para manejar el aumento de la potencia. 

Repotenciación maximizada La repotenciación maximizada permite un aumento significativo en la salida de potencia, condicionado a la temperatura de los componentes críticos, al operar por encima de la curva de potencia nominal para todas las velocidades de viento en el nivel nominal. Este método requiere sobrecarga mecánica y eléctrica para gestionar el desempeño mejorado. La ventaja de este enfoque es un aumento potencial sustancial de las ganancias, con un aumento de hasta un 7 % en AEP, dependiendo del nivel de aumento de precios y las condiciones del lugar. Sin embargo, este método puede reducir la vida útil general de la turbina debido al mayor desgaste operativo. Repotenciación balanceada La repotenciación balanceada también se centra en aumentar la potencia de salida, pero lo hace basado en las velocidades de viento dominantes y las temperaturas de los componentes. Al igual que la repotenciación maximizada, este algoritmo opera la unidad por encima de la curva de potencia nominal, pero solo a un rango seleccionado de velocidades del viento. Como tal, no requiere la misma compensación mecánica que la repotenciación maximizada. El posible aumento de beneficios con la repotenciación equilibrada es de hasta 2,5 % en AEP, dependiendo del nivel de repotenciación y las condiciones del lugar.

Solución de control avanzado. Corte extendido
La solución de corte extendido está diseñada para mejorar el rango operativo de las aerogenerators al permitir que continúen funcionando incluso a velocidades de viento por encima del umbral de corte normal. Esto se logra reduciendo la curva de potencia más allá de la velocidad de corte normal. Esto, en efecto, reduce gradualmente la unidad en condiciones de viento alto para proteger la turbina de daños potenciales y extender la operación más allá de la velocidad del viento de corte anterior.

Uno de los principales beneficios de reducir la potencia es que elimina los cortes abruptos, lo que mejora significativamente la estabilidad de la red eléctrica. Esta transición transparente reduce el desgaste en los componentes principales, ya que hay menos paradas y arranques a altas velocidades del viento. En consecuencia, esto conduce a una salida de potencia más estable y confiable.

Además, la característica de corte extendido puede dar lugar a un aumento de beneficios, especialmente en lugares con alto nivel de viento donde las velocidades superan con frecuencia los límites normales de corte. Al ampliar el rango operativo, los aerogenerators pueden capturar más energía y aumentar así la producción anual de energía.

Sin embargo, es importante tener en cuenta que existe una compensación asociada con este enfoque. El funcionamiento extendido a velocidades de viento más altas causa tensión adicional en los componentes, que puede conducir a una disminución en la vida útil general de la aerogenerator.

Control de guiñada autocalibrable
Los algoritmos de control de guiñada autocalibrables están diseñados para identificar y ajustar constantemente los desalineamientos estáticos de la guiñada y mejorar así el rendimiento de la turbina al asegurar que la góndola esté siempre orientada hacia el viento. Mediante el Machine Learning, estos algoritmos generalmente necesitan una fase de calibración automática corta después de la instalación. Si se produce algún cambio o deterioro en las paletas de viento o en la calibración de la guiñada, el sistema se ajustará automáticamente por sí mismo. Esto permite una alineación precisa del rotor y mejora la potencia de salida del generador de turbina, lo que podría aumentar la producción de energía anual de un 3-5 %.

Corrección automática del desequilibrio del rotor
Los sistemas de control avanzados en las turbinas modernas incorporan algoritmos de detección de desequilibrio del rotor para identificar y corregir la desalineación entre las aspas. Al detectar una desalineación del cabeceo, el sistema ajusta de manera autónoma los puntos de ajuste del cabeceo para asegurar que las aspas estén correctamente alineadas. Esta tecnología no solo aumenta la producción de energía anual hasta en un 0,7 %, sino que también reduce las cargas de fatiga en los rotores de las aerogenerators .

Ajuste de la potencia de salida de la turbina para cumplir con las demandas operativas
Soluciones de control avanzado, como el aumento de potencia, la repotenciación y el corte extendido, junto con técnicas de eficiencia de aerogenerators, pueden aumentar significativamente la producción anual de energía con un impacto mínimo en la carga.

Emerson da un rango de soluciones de mejora para aerogeneradores, adaptadas para mejorar la potencia de salida de las turbinas de acuerdo con sus requisitos operativos específicos.