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¿Qué tipo de generador es adecuado para la generación de energía eólica?
La función principal de un aerogenerador es convertir de forma eficiente y estable la energía mecánica, que varía constantemente con la velocidad del viento, en energía eléctrica que pueda conectarse a la red eléctrica. Por lo tanto, los generadores adecuados para la generación de energía eólica no son modelos comunes; deben adaptarse a amplias velocidades del viento, soportar cargas complejas y ser fáciles de controlar desde la red. La industria eólica moderna se basa principalmente en tres rutas tecnológicas, cada una con sus propias ventajas y adecuada para diferentes escenarios.
1、 Generador asíncrono de doble alimentación: antiguo pilar de la industria
Durante mucho tiempo, los generadores asíncronos de doble alimentación han sido la norma absoluta en el mercado de la energía eólica. Su principio de funcionamiento es ingenioso: el rotor del generador está conectado a un convertidor de frecuencia más pequeño mediante anillos colectores y escobillas de carbón, mientras que el estator está conectado directamente a la red eléctrica.
La mayor ventaja de este diseño es su eficiencia económica. Dado que el convertidor de frecuencia solo necesita procesar aproximadamente un tercio de la potencia del circuito del rotor, el coste del equipo es menor y la pérdida de energía también es mínima. Además, gracias a su tecnología altamente desarrollada y a una cadena industrial completa, se ha convertido en una opción común para la energía eólica terrestre, especialmente para unidades de megavatios, en las últimas dos décadas.
Sin embargo, sus inconvenientes se han vuelto cada vez más evidentes con el desarrollo de la industria. Las escobillas de carbón y los anillos colectores son componentes de contacto mecánico que requieren mantenimiento regular en el duro entorno operativo de los parques eólicos y son puntos de fallo potenciales. Además, debido a la conexión directa del estator a la red eléctrica, su capacidad para soportar fluctuaciones de tensión en la red (es decir, su capacidad de soportar bajas tensiones) es relativamente baja.
2、 Generador síncrono de accionamiento directo con imán permanente: un modelo de confiabilidad
La tecnología de accionamiento directo adopta un enfoque completamente diferente. Elimina por completo la caja de cambios de alta velocidad, lo que permite que el aerogenerador accione directamente un generador síncrono multipolar de imanes permanentes. Debido a la baja velocidad, la frecuencia de la corriente emitida varía considerablemente, por lo que toda la energía eléctrica debe ser procesada por un inversor de potencia completa antes de ser enviada a la red eléctrica.
Este plan ofrece ventajas revolucionarias. La eliminación de la caja de engranajes con la mayor tasa de fallos mejora considerablemente la fiabilidad y la facilidad de mantenimiento de la unidad, lo que resulta especialmente adecuado para parques eólicos marinos de difícil acceso. Los imanes permanentes proporcionan un campo magnético sin pérdidas de excitación, lo que resulta en una mayor eficiencia. Y lo que es más importante, el convertidor de frecuencia de potencia máxima actúa como un cortafuegos, aislando perfectamente el generador de la red eléctrica, lo que hace que el aerogenerador sea extremadamente insensible a las fluctuaciones de la red y capaz de apoyarla activamente, lo que se traduce en una excelente calidad de energía.
El reto radica en la necesidad de crear un generador de gran diámetro y numerosos polos para generar suficiente frecuencia de electricidad a bajas velocidades, lo que resulta en un volumen y peso asombrosos, lo que dificulta su transporte y elevación. Además, se basa en materiales de imanes permanentes de tierras raras, lo que resulta en mayores costos.
3、 Generador síncrono de imán permanente de velocidad media (accionamiento semidirecto): el favorito tecnológico actual
Para lograr un equilibrio entre la fiabilidad del accionamiento directo y la compacidad de las estructuras tradicionales, han surgido soluciones de compromiso de "accionamiento semidirecto" o "accionamiento de velocidad media" que rápidamente se han convertido en la opción principal para los aerogeneradores de gran tamaño, especialmente los modelos marinos.
Conserva una caja de cambios de velocidad media simple y robusta (generalmente con un solo engranaje planetario), que aumenta la velocidad de la turbina eólica a un nivel moderado, impulsa un generador síncrono de imán permanente compacto y finalmente se conecta a la red a través de un convertidor de frecuencia de potencia completa.
Esta puede considerarse una "combinación de oro". Reduce significativamente el tamaño y el peso del generador con una caja de engranajes sencilla, solucionando así el problema del transporte de las unidades de accionamiento directo, a la vez que conserva la alta eficiencia de los motores de imanes permanentes y la excelente compatibilidad con la red eléctrica de los convertidores de frecuencia de potencia completa. Su fiabilidad es mucho mayor que la de los sistemas tradicionales de doble alimentación. Si bien la integración tecnológica es compleja y el coste inicial no es bajo, las ventajas son significativas en términos del coste eléctrico durante todo el ciclo de vida.
Resumen y tendencias
En general, la trayectoria de evolución tecnológica de los aerogeneradores es clara:
Los generadores asincrónicos de doble alimentación aún tienen vitalidad en mercados terrestres específicos debido a su madurez y economía.
Los generadores síncronos de accionamiento directo con imanes permanentes ocupan un lugar firme en áreas marítimas y con vientos de baja velocidad gracias a su confiabilidad incomparable.
El generador síncrono de imán permanente de velocidad media integra con éxito las ventajas de los dos primeros, convirtiéndose en el líder tecnológico absoluto en el actual desarrollo de energía eólica marina y a gran escala, y representa la dirección futura de la industria.
La elección del generador se basa esencialmente en la búsqueda del equilibrio óptimo entre la inversión inicial, los costos de operación y mantenimiento, la eficiencia de la generación de energía y los requisitos de conexión a la red. A medida que las turbinas eólicas se hacen más grandes y se instalan en alta mar, los requisitos de fiabilidad y capacidad de soporte a la red se han vuelto abrumadores. Esta es también la razón fundamental por la que la tecnología de generadores de imanes permanentes combinados con convertidores de frecuencia de potencia completa ha triunfado.
