Los avances tecnológicos en turbinas de viento han crecido rápidamente. A la sombra de las turbinas de viento multi-megavatio aflora otro sector creciente dentro de esta industria: es la energía eólica residencial. El mejoramiento de los diseños de las palas para lograr una máxima eficacia a bajas velocidades de viento, alta eficacia en generadores con dispositivos de imán permanente, métodos de regulación mejorados, sistemas de control muy sofisticados y los inversores, les permiten ahora a los dueños de casa conectarse en paralelo directamente con compañías de distribución pública o proyectar sistemas independientes de la red eléctrica. Estos sistemas han aumentado la independencia energética, compitiendo con los precios actuales de energía y reduciendo impactos medioambientales. Varias nuevas turbinas de viento pequeñas que utilizan modernas y avanzadas tecnologías se han introducido en el mercado y con la promesa de que vienen más.
Normalmente se definen turbinas de viento de pequeño porte como cualquier turbina de viento con una capacidad nominal de menos de 100 kW. Muchas turbinas de viento pequeñas y los mismos fabricantes de estas turbinas han sufrido extensas críticas sobre maquinas fabricadas deficientemente, sobre declarada producción de energía, y sobre estimado tiempo de vida. Abundant Renewable Energy ha adoptado una filosofía de diseño que pone la eficiencia, vida larga y alta producción de energía a velocidades de viento bajas como la primera prioridad de nuestra ingeniería y esfuerzos industriales.
Fig. 1. ARE110 2.5kW turbina de viento grip-tied de 127pies. Torre ARE auto soportada en Newberg, Oregon. Diseñada, manufacturada e instalada por Abundant Renewable Energy
La industria del viento de baja velocidad ha estado creciendo en el último par de años, y con el advenimiento de modernas y mejores tecnologías la eficacia y tiempo de vida de estas máquinas ha mejorado enormemente. Ahora más que nunca la atención está puesta en la viabilidad económica de estas máquinas y algunos fabricantes han aprovechado esta oportunidad para aumentar la calidad total y rendimiento. No muchas personas viven en un lugar con vientos de clase 3 o 4, y bastante a menudo faltan la calidad o cantidad de viento necesarios para una producción de energía consistente. Este panorama ha encaminado los crecientes esfuerzos hacia el perfeccionamiento en la eficiencia de la turbina para vientos de bajas velocidades.
Figure 2. Energía producida en kilovatios horas en un mes dado en relación a la velocidad del viento para las ARE110 y ARE442
Una consideración importante en el diseño de una turbina de viento está en la relación de variación de la velocidad Tip Speed Ratio (TSR) de las palas al alternador / generador. El TSR es la relación de la velocidad de las palas relativa a la velocidad del viento.
A pesar que un TSR alto puede ser ventajoso para mantener bajos los costos de las palas debido a que se pueden usar hojas más delgadas, así como la necesidad de un alternador más pequeño debido a una rpm más alta del rotor, esto normalmente resulta en máquinas con ciclos de vida más cortos y las palas más ruidosas. Proyectar aeroturbinas con un TSR bajo implica en aumentar el ancho de la pala lo que produce un aumento de la eficiencia para velocidades de viento bajas y menores revoluciones que resultan en una turbina silenciosa y duradera. Esto ayudó a maximizar el arranque a bajas velocidades de viento y aumentar la producción de energía en los niveles más bajos de la curva de potencia.
Además de los avances en el diseño de las palas, los alternadores también han mejorado en su eficiencia y capacidad. Los imanes de neodimio se usan ahora en la mayoría de los alternadores diseñados para aeroturbinas de pequeña escala. Estos imanes fuertes magnéticamente son llamados de tierra rara y consisten en neodimio, hierro y boro (Nd2Fe14B) más una transición de otros metales para aumentar su cohercitividad y sus características de oxidación. Estos imanes son resistentes a la desmagnetización y tienen una densidad de flujo mucho más alta que el plástico, cerámica o imanes de alnico. Esto produce alternadores con una densidad de flujo más alta que produce más potencia de la que puede producir un alternador de tamaño igual que usa hierro u otros imanes. Otras mejoras como la alta calidad de los laminados para reducir las pérdidas de hierro, las pequeñas tolerancias de aire y baja inducción entre los devanados, las configuraciones tortuosas para reducir los efectos del torque por posicionamiento preferencial (cogging), todas estas mejoras aumentan la eficacia del alternador.
Figure 3. Bobinado a mano del prototipo de alternador de imán permanente de alta eficiencia para el ARE442
Figura 4. Pruebas del alternador prototipo
Controlar la potencia de salida de una aeroturbina y la velocidad del rotor puede ser uno de los desafíos más grandes para diseñadores y fabricantes. Sin los mandos apropiados las turbinas de viento no pueden lograr su eficiencia máxima y corren el riesgo de sobre acelerarse con vientos fuertes y dañar el equipo. Controles electrónicos cargan el alternador para mantener el rotor en la potencia máxima de pico según la velocidad del viento hasta que el nivel de potencia máximo deseado se haya alcanzado. Controladores también habilitan la máxima potencia a ser transferida a las baterías, en concordancia con la preservación del tiempo vida de las baterías relacionado con su sistema de carga. La potencia que excede la carga disponible de la batería se desviará a una carga de calor, que puede ser un elemento agua-calorífico normal que les permite a los usuarios finales utilizar este excedente de energía que de otra manera se disiparía en forma de calor. Los controles de mando pueden estar retroalimentados por la temperatura y tener puntos de compensación dependiendo de las condiciones ambientales y tener dispositivos de capacidad de carga ajustables. Estos controladores usan modulación de pulso para controlar la cantidad de potencia enviada a las cargas auxiliares.
El control avanzado permite a las turbinas del viento pequeñas acoplarse directamente con la red eléctrica pública sin la necesidad de usar el banco de baterías. Varios inversores están disponibles ahora para comunicarse con el controlador de la máquina y sincronizar con la tensión y la frecuencia de la red de distribución con perdidas de conversión muy pequeñas. Ambos SMA y Magnetek han estado a la vanguardia en la fabricación de inversores de alta tensión diseñados para trabajar con aeroturbinas de pequeña escala. Esto requirió que los fabricantes de inversores proporcionen los algoritmos de mando de control de potencia convenientes para aerogeneradores de pequeñas escala. Estos inversores de conexión con la red pública proporcionan condiciones de operación de potencia máxima en un alto rango de eficiencia en un sistema sin un banco de baterías, ideal para un sistema de mediciones a distancia. Esto habilita a los consumidores que utilizan la red pública la posibilidad de vender su energía excedente a la red pública y al mismo precio que esta les cobra a sus usuarios.
Combinar varios o todos estos avances tecnológicos en turbinas de viento puede resultar en la fabricación de aeroturbinas más silenciosas, eficientes y con la respectiva prolongación de su vida útil. La implementación de estos avances tecnológicos no viene sin su costo adicional. Al aumentar el tamaño de los alternadores y palas también aumenta su peso. Esto nos lleva a costos de fabricación más caros, requisitos más robustos y superiores para la construcción de las torres de soporte y mayores costos de envío. Sofisticados controladores e inversores también vienen con un precio de etiqueta ligeramente mayor al de sus predecesores. El efecto final resulta en una máquina más cara. Me imagino que lo que se dice es verdad: Ud. obtiene lo que paga.
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