Maximización de la relación entre la potencia eléctrica generada y las cargas de un aerogenerador marino

Abstract

El notable aumento de la demanda energética global junto al desprestigio y creciente reticencia al uso de combustibles fósiles para satisfacer dicha demanda está suponiendo el comienzo de un nuevo auge de las renovables que cada vez toman un papel más importante en el mix de generación. En concreto, la energía eólica está experimentado un crecimiento extraordinario, durante la última década la potencia eólica instalada ha crecido de forma radical. La capacidad global de los aerogeneradores instalados en todo el mundo a finales de 2018 alcanzó los 597 Gigavatios, según las estadísticas preliminares publicadas por GWEC (Global Wind Energy Council). China continúa siendo el mercado más grande de energía eólica con diferencia, solo en el último año instaló una capacidad adicional de 21 Gigavatios, sumando un total de 211.3 GW. Le sigue EEUU con un total de 96GW, Alemania con cerca de 60GW, India con 35GW y en quinto puesto España con 23,4 GW de potencia instalada [1, 2]. Según datos de la REE, en España, únicamente entre enero y junio del último año, el viento ha favorecido la generación de 27.779GWh lo que supone una cuota del 22,6% del total peninsular, convirtiéndola en la tecnología líder durante el primer semestre de año [3]. A pesar de ser una tecnología que data de principios del siglo XIX, todavía a día de hoy se siguen incorporando mejoras en las instalaciones eólicas tratando de optimizar su rendimiento mediante el perfeccionamiento de las estrategias de control. Estas constituyen una pieza clave a la hora de diseñar un aerogenerador ya que han de ser consideradas desde las primeras etapas de su diseño hasta su producción. El viento es un recurso extremadamente variable, lo que -en ocasiones- lo convierte en un fenómeno difícil de prever por métodos estadísticos. Existen grandes problemáticas estructurales asociadas a su comportamiento entre las que podemos encontrar vibraciones, fatiga estructural, deformaciones y otras. El objetivo de las estrategias de operación se fundamenta en maximizar la potencia producida definiendo una serie de consignas tales como el ángulo de paso y el par, que evitan a su vez aquellas zonas de operación que favorezcan la aparición de perturbaciones que puedan ocasionar excesos en las cargas soportables por alguno de los elementos que componen el aerogenerador amén de otras incidencias. Este trabajo se centrará en el diseño, simulación y comparación de las estrategias y la selección de la más eficiente. Y constituye una parte de un proyecto todavía mayor, realizado de forma conjunta con otros compañeros, que tiene como objetivo último el diseño de gran parte de los elementos de un aerogenerador offshore.

The notable increase in global energy demand together with the discredit and growing reluctance to use fossil fuels to satisfy this demand is leading to the beginning of a new boom in renewables, which are playing an increasingly important role in the generation mix. Specifically, wind energy is experiencing an extraordinary growth, during the last decade the installed wind power has grown radically. The global capacity of wind turbines installed worldwide by the end of 2018 reached 597 gigawatts, according to preliminary statistics published by GWEC (Global Wind Energy Council). China continues to be by far the largest wind energy market, installing an additional capacity of 21 gigawatts in the last year alone, for a total of 211.3 GW. It is followed by the USA with a total of 96GW, Germany with about 60GW, India with 35GW and in fifth place Spain with 23.4 GW of installed power [1, 2]. According to REE data, in Spain, only between January and June of last year, wind has favored the generation of 27,779GWh which represents a 22.6% share of the peninsular total, turning into the leading technology during the first half of the year. Despite being a technology that dates back to the beginning of the 19th century, improvements are still being made in wind turbines today, trying to optimize their performance by improving control strategies. These are a key piece when designing a wind turbine as they must be considered from the first stages of its design to its production. Wind is an extremely variable resource, which sometimes makes it difficult to predict by statistical methods. There are major structural problems associated with its behavior such as vibrations, structural fatigue, deformations and others. The objective of the operation strategies is based on maximizing the power produced by defining a series of commands such as the pitch angle and the torque, which in turn avoid those areas of operation that favor the appearance of disturbances that may cause excess loads to be borne by any of the elements that make up the wind turbine, as well as other incidents. This work will be focused on the design, simulation and comparison of strategies and the selection of the most efficient ones. And it is part of a larger project, carried out jointly with other colleagues, which has as its final objective the design of a large part of the elements of an offshore wind turbine.