En esta sección, aprenderá varias formas de medir el rendimiento máximo de una turbina eólica. Una forma de medir el rendimiento máximo es utilizar un cuadro o gráfico de la curva de potencia de un aerogenerador.
Otra forma es medir la cantidad de energía utilizable (electricidad producida con el tiempo) producida por el sistema eólico bajo las condiciones del viento en un sitio.
Rendimiento máximo de aerogeneradores
El rendimiento máximo de un aerogenerador se produce cuando la salida del aerogenerador es igual o superior a su potencia nominal.
Una forma de medir el rendimiento máximo es utilizar un gráfico de curva de potencia. Una curva de potencia es un gráfico que muestra la velocidad del viento y la potencia de salida de la turbina eólica en un rango de velocidades del viento desde cero hasta la velocidad máxima del viento para la que está diseñada la turbina eólica.
La figura 1 muestra un gráfico de una curva de potencia para una turbina eólica. En este gráfico, la velocidad del viento se muestra en la eje x del gráfico de 2 a 21 m/s.
La salida del generador se muestra en la eje y a la izquierda, y muestra la potencia en kilovatios de 0 a 70 kW.
Según esta curva de potencia, el aerogenerador produce su potencia máxima de 63 kW a 65 kW cuando el viento ronda los 17 m/s.
Aunque la energía eólica aumentará significativamente a medida que aumente la velocidad del viento, la turbina está diseñada para no exceder su potencia nominal después de cierto punto.
Todos los fabricantes de aerogeneradores prueban sus modelos y proporcionan a los compradores potenciales una curva de potencia. Esta información permite la comparación con modelos similares de diferentes fabricantes.
Figura 1 Generador de potencia para aerogenerador 65 kW
La prueba para crear la curva de potencia oficial para un aerogenerador determinado está diseñada para mantener constantes tantos factores como sea posible, de modo que se puedan realizar comparaciones de potencia de salida entre diferentes modelos de aerogeneradores.
Cuando se instala una turbina eólica en un sitio en particular, otros problemas cambian la potencia de salida de la turbina eólica. Ejemplos de tales problemas son la formación de hielo en las cuchillas en climas fríos, la suciedad en las cuchillas e incluso los efectos de los insectos que no han sido eliminados por la lluvia o la limpieza durante largos períodos de tiempo.
Cada uno de estos problemas puede cambiar la potencia de salida real de la turbina eólica de modo que sea entre un 1 % y un 2 % inferior a la potencia que se muestra en la curva de potencia publicada.
Los datos del gráfico también se pueden presentar en una tabla. La Tabla 1 muestra los datos para el gráfico que se muestra en la Figura 1.
La velocidad del viento se muestra en rpm en la primera columna y la velocidad del viento en mph se muestra en la segunda columna. La potencia de salida se muestra en kW en la última columna.
| Velocidad del viento (m/s) | Velocidad del viento (mph) | Potencia (kW) |
| 2 | 4.5 | 0 |
| 3 | 6.7 | 0 |
| 4 | 8.8 | 0.7 |
| 5 | 11.2 | 2.2 |
| 6 | 13.4 | 6.5 |
| Siete | 15.6 | 13.8 |
| 8 | 17.9 | 22.7 |
| 9 | 20.1 | 32.1 |
| diez | 22.4 | 41.3 |
| 11 | 24.6 | 46.5 |
| 12 | 26.8 | 52.8 |
| 13 | 29.1 | 58.7 |
| 14 | 31.3 | 61.7 |
| 15 | 33.5 | 62,9 |
| dieciséis | 35.8 | 63.8 |
| 17 | 38 | 64.7 |
| 18 | 40.2 | 63.5 |
| 19 | 42.5 | 62.6 |
| 20 | 44.7 | 61.7 |
| 21 | 46,9 | 61.2 |
tabla 1 Velocidad del viento y datos de salida del generador para calcular la curva de potencia de un aerogenerador
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Usa la Tabla 1 para encontrar la cantidad de energía eléctrica producida por la turbina eólica cuando la velocidad del viento es de 10 m/s. ¿Cuál es la velocidad del viento en mph cuando el viento sopla a 10 m/s?
La solución
De la Tabla 1, la potencia producida por el generador es de 41,3 kW a una velocidad del viento de 10 m/s. La velocidad del viento en mph es 22.4 mph.
Un ejemplo de energía eólica fb2
Usa la Tabla 1 para determinar la cantidad de energía eléctrica producida por la turbina eólica cuando la velocidad del viento es de 38 mph. ¿Cuál es la velocidad del viento en m/s cuando el viento sopla a 38 mph?
La solución
De la Tabla 1, la potencia producida por el generador a una velocidad del viento de 38 mph es de 64,7 kW. La velocidad del viento en m/s es 17 m/s.
Otra forma de medir el rendimiento máximo incluye la densidad del aire. La densidad (ρ) es la masa (m) por volumen (Vol) de una sustancia y se escribe como una ecuación de la siguiente manera:
[rho =mtimes Vol]
Dónde
ρ es la densidad en kg/m3
metro es la masa en kg
Volumen es el volumen de mantequilla3
Densidad del aire (ρa) es una medida de la cantidad de masa contenida en una cantidad específica de aire.
La densidad del aire se ve afectada por la cantidad de humedad (humedad) en el aire, la presión atmosférica y la temperatura. El aire es más denso cuando se enfría; también cambia con la humedad. Cuando el aire es denso, la eficiencia de la turbina eólica aumenta.
Aplicación de las curvas de potencia de los aerogeneradores
La curva de energía eólica muestra cuánta energía debe producir una turbina eólica a una velocidad del viento dada.
El valor máximo de la curva de potencia eólica se puede utilizar para comercializar aerogeneradores y para realizar comparaciones entre modelos de la competencia, por lo que los valores a veces son superiores a la producción real.
Si está utilizando curvas de potencia como parte de una decisión de compra, es posible que desee solicitar datos de rendimiento reales para varias turbinas eólicas instaladas.
Algunos fabricantes usan predicciones y cálculos para determinar valores en la curva de energía eólica, lo que puede hacer que sus predicciones sean más altas que la salida en aplicaciones del mundo real.
La potencia nominal se utiliza para comparar aerogeneradores similares en condiciones estándar.
La potencia máxima es la cantidad de energía eléctrica que la turbina eólica puede producir a la velocidad del viento nominal más alta.
Es posible que la turbina eólica no pueda producir electricidad de forma continua a la tasa de potencia máxima, ya que normalmente no se producen velocidades de viento tan altas de forma continua, y es posible que la turbina eólica y la caja de engranajes no puedan manejar esta carga excepcional durante un período de tiempo prolongado.
Pruebas por laboratorios independientes
La prueba de la curva de potencia debe ser realizada por laboratorios de prueba independientes, así como por los fabricantes. Si los datos son un conjunto de criterios de prueba, se debe recopilar el mismo tipo de datos para diferentes modelos.
Las agencias de pruebas están establecidas en todo el mundo para estas pruebas. En los Estados Unidos, una agencia gubernamental que realiza pruebas es el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE).
NREL proporciona pruebas en colaboración con otras agencias como el National Administración de Aeronáutica y del Espacio (NASA). La NASA tiene un gran túnel de viento ubicado en Moffett Field en California.
A túnel de viento un laboratorio de pruebas diseñado específicamente para crear grandes flujos de viento en condiciones controladas.
Inicialmente, los túneles de viento se utilizaron para probar las alas de los aviones y la estabilidad en condiciones operativas. El túnel de viento es una gran cúpula llena de aire comprimido; el aire se libera lentamente para pasar por un túnel donde se encuentran las palas y el rotor del aerogenerador.
La liberación de aire en el túnel de viento crea una simulación realista del viento en soplado a la altura y el nivel donde normalmente se ubicaría una turbina eólica en la parte superior de su torre.
Dado que la turbina eólica está ubicada cerca del suelo en el túnel, se puede conectar fácilmente una gran cantidad de sensores para proporcionar una gran cantidad de datos cuando está bajo carga.
El túnel de viento de Moffett Field mide 24,4 m × 36,6 m (80 pies × 120 pies) de área y puede producir velocidades de viento bajas y moderadas para probar turbinas eólicas.
Los datos de estas pruebas son muy importantes porque son recopilados por un laboratorio científico completamente independiente de cualquier fabricante.
Medición de la salida del generador
Otra parte importante para determinar el rendimiento de un aerogenerador es medir la eficiencia del generador.
La salida del generador eléctrico varía con la velocidad de rotación del eje. La corriente de campo de algunos generadores se puede ajustar para que su eficiencia permanezca bastante constante en un rango de velocidades.
Cuando la eficiencia del generador varía con la velocidad, la velocidad del generador no se puede optimizar para una velocidad de turbina determinada, lo que da como resultado que la eficiencia general de la turbina eólica sea inferior a su valor nominal.
Un doble pico en la producción de energía puede ocurrir a diferentes velocidades del viento: el al principio cuando las palas de la turbina alcanzan su máxima eficiencia y segundo cuando el generador alcanza su máxima potencia.
Preguntas de revisión
- ¿Qué es una curva de potencia eólica?
- Mencione dos centros de prueba independientes para probar las curvas de potencia de las turbinas eólicas.
- Explique la importancia de usar datos medidos reales para comparar la eficiencia de dos turbinas eólicas en lugar de usar datos pronosticados.
- ¿Qué causa un cambio en la salida de un generador? ¿Qué se puede ajustar para que la salida del generador sea lo suficientemente estable?
respuestas
- Curva que relaciona la velocidad del viento con la potencia de salida
- En los Estados Unidos, el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) y la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA)
- Muchas variables afectan el rendimiento; los datos medidos permiten a los compradores potenciales comparar turbinas.
- Las variaciones en la velocidad del eje cambian la salida del generador; se puede hacer más eficiente ajustando la corriente de campo al generador.
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