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24/4/2006

Optimización del control de aerogeneradores mediante microsensores inteligentes

La escuela de ingenieros ESTIA de Bayona esta desarrollando un proyecto sobre la optimización del control de aerogeneradores de última generación mediante microsensores inteligentes.

Los aerogeneradores de última generación funcionan a velocidad variable y regulación a partir del ángulo de las palas. Estos grados de libertad (la velocidad de rotación y el control del ángulo de paso de cada pala) permiten aumentar el rendimiento energético, disminuir las cargas mecánicas de fatiga y mejorar la calidad de la potencia con respecto a los aerogeneradores a velocidad fija. La velocidad de rotación y el ángulo de paso de las palas son controlados en todo momento por algoritmos de control. La calidad de estos algoritmos tiene una influencia determinante en el precio de la energía producida por los aerogeneradores. Una gran cantidad de trabajos de investigación sobre el control de los aerogeneradores ha sido llevada a cabo. Sin embargo, falta aún introducir mas “inteligencia” en el funcionamiento de los aerogeneradores.

La disminución del precio de la energía eólica será posible:

- Aumentando la fiabilidad y la robustez de los aerogeneradores

- Aumentando el rendimiento energético

- Fabricando aerogeneradores mas ligeros

Esta reducción de peso solo puede conseguirse disminuyendo los esfuerzos mecánicos sobre las palas, el eje de transmisión y la torre. Además, la actual incrementación en el tamaño de los aerogeneradores conlleva a tener máquinas mecánicamente mas flexibles. El control deberá tener en cuenta esta flexibilidad, especialmente evitando las frecuencias de resonancia de los diferentes elementos mecánicos.

Por consiguiente, los criterios clásicos ligados a la optimización de los algoritmos de control de un aerogenerador a velocidad variable y regulación a partir del ángulo de las palas son:

- La calidad de la potencia eléctrica producida

- La reducción de las cargas dinámicas a las cuales esta sometida la estructura del aerogenerador

- El rendimiento energético

- La robustez de los algoritmos de control desarrollados.

En el marco de esta problemática, en la escuela de ingenieros ESTIA trabajan especialmente en los criterios que conciernen la reducción de los esfuerzos que conllevan a la fatiga de los diversos elementos de un aerogenerador (torre, palas, eje de transmisión).

La fatiga de los elementos de un aerogenerador esta principalmente ligada a las fuerzas dinámicas externas soportadas por estos elementos y a las fluctuaciones de los mismos en su frecuencia de resonancia. El control del aerogenerador debe permitir disminuir el conjunto de estos esfuerzos para aumentar la fiabilidad, por consiguiente la disponibilidad de los aerogeneradores, y para permitir de reducir el peso del conjunto de los componentes. Las cargas principales son aquellas que soportan las palas, la torre y el eje de transmisión. El diseño de los algoritmos de control debe por tanto tener en cuenta la disminución de los esfuerzos mecánicos en estos componentes. Varios grados de libertad existen para alcanzar este objetivo: el par de la máquina eléctrica, el ángulo de paso de cada pala (tres para un aerogenerador clásico) y la orientación de la turbina completa con respecto al eje de la torre (llamado “yaw”). Este último no sera utilizado en el marco de este proyecto.

El diseño de dicho control no debe tener en cuenta solamente uno de los cuatros criterios enunciados anteriormente. Aún si el objetivo principal aqui será de reducir los esfuerzos dinámicos soportados por el aerogenerador, los otros criterios no serán olvidados.

Microsensores inteligentes (sensores de aceleración con comunicación inalámbrica) situados en los extremos de las palas, encima de la superficie del eje del aerogenerador y en la torre serán utilizados para optimizar el control.

Gracias a estos sensores de aceleración, el sistema de control dispondrá de una información suplementaria en tiempo real, que le permitirá reducir los esfuerzos de fatiga a partir de algoritmos de optimización multivariables.

Los aerogeneradores comerciales están equipados de diversos sensores (tensión, corriente, velocidad de rotación, etc.), sin embargo actualmente no están equipados ni de sensores de aceleración ni de esfuerzos.