Aerogeneradores

Los aerogeneradores convierten en electricidad la energía cinética de la corriente de aire circundante. El modelo de aerogenerador de EnergyPlus calcula la potencia eléctrica producida a partir de las características de la turbina y de las condiciones ambientales locales, como la velocidad y densidad del aire a la altura del sistema. El modelo obtiene la información meteorológica del archivo climático de la simulación y determina la velocidad del viento y la densidad del aire a la altura concreta del sistema. También requiere que el usuario introduzca la velocidad media anual del viento medida en el emplazamiento y la altura de medición para tener en cuenta las diferencias entre los datos de viento del archivo climático y los locales.

Consejo: Los aerogeneradores se incluyen en el modelo especificándolos en la Lista de generadores del cuadro del centro de carga eléctrico cuando se selecciona uno de los Tipos de bus de corriente alterna.

Nombre

Nombre único asignado por el usuario a un sistema de aerogenerador concreto. Los demás objetos que hagan referencia a esta unidad utilizarán ese nombre.

Programación de disponibilidad

La programación seleccionada define cuándo puede funcionar el sistema de aerogenerador. Un valor de programación mayor que 0, normalmente se utiliza 1, indica que la unidad puede estar encendida durante ese periodo. Un valor menor o igual que 0, normalmente se utiliza 0, indica que la unidad está apagada y no funcionará durante ese periodo.

Tipo de rotor

Este campo indica el tipo de eje del aerogenerador. Seleccione entre 2 tipos:

1-Eje horizontal o
2-Eje vertical.

Se utiliza un algoritmo diferente para calcular la potencia eléctrica del aerogenerador según el tipo de rotor.

Control de potencia

Este campo indica el tipo de control del rotor del aerogenerador. Protege el sistema frente a sobrecargas cuando no hay control de velocidad ni de paso y también maximiza la energía obtenida. La bibliografía distingue cuatro tipos de control:

1-Velocidad fija, paso fijo (FSFP),
2-Velocidad fija, paso variable (FSVP),
3-Velocidad variable, paso fijo (VSFP), y
4-Velocidad variable, paso variable (VSVP).

Actualmente pueden modelarse en EnergyPlus los tipos FSFP y VSFP. Los otros dos se modelarán como VSFP. Si se elige el primer tipo de control FSFP, el modelo supone la potencia máxima a una velocidad de rotor fija cuando la potencia prevista supera la máxima, hasta que el rotor alcanza la velocidad máxima del viento (véase el campo siguiente). Si se elige una de las tres últimas opciones, el modelo supone que el sistema produce una potencia constante a la velocidad nominal del viento cuando esta se encuentra entre las velocidades nominal y de parada. El valor predeterminado es 3-Velocidad variable, paso fijo (VSFP).

Velocidad nominal del rotor

Este campo indica la velocidad máxima de giro del rotor a la potencia nominal del aerogenerador, en rev/min (revoluciones por minuto). Se utiliza para determinar la relación de velocidad de punta del rotor y la velocidad relativa del flujo incidente sobre una pala individual de los sistemas VAWT.

Diámetro del rotor

Este campo indica el diámetro del rotor (en m o ft). No es la altura de la pala, sino el diámetro del círculo perpendicular al poste vertical en los sistemas VAWT. Determina el área barrida por el rotor en los sistemas HAWT y la velocidad de cuerda en los sistemas VAWT.

Altura total

Este campo indica la altura del buje del sistema HAWT o del poste del sistema VAWT (en m o ft). Es necesaria para estimar la densidad local del aire y la velocidad del viento a la altura concreta de instalación del aerogenerador.

Número de palas

Este campo indica el número de palas del aerogenerador. El ángulo azimutal del rotor del sistema VAWT se determina dividiendo 360 grados por este valor, de modo que el modelo determina las componentes tangencial y normal de la velocidad del sistema. El valor predeterminado es 3.

Potencia nominal

Este campo indica la potencia nominal del aerogenerador a la velocidad nominal del viento (en W o Btu/hr). Debe introducirse la potencia máxima que el sistema puede producir físicamente sin control, es decir, con control FSFP. Los fabricantes a veces la denominan «potencia máxima» o «capacidad nominal». Si la velocidad local del viento supera la nominal, el modelo supone una potencia constante igual a este valor.

Velocidad nominal del viento

Este campo indica la velocidad del viento a la que el aerogenerador alcanza el máximo de la curva de potencia (en m/s o ft/min). El sistema produce la potencia máxima a esta velocidad y la velocidad del rotor se gestiona en función de ella.

Velocidad de arranque del viento

Este campo indica la velocidad mínima del viento a la que puede funcionar el aerogenerador (en m/s o ft/min). No se genera potencia mientras la velocidad ambiente del viento sea inferior.

Velocidad de parada del viento

Este campo indica la velocidad máxima del viento (en m/s o ft/min). Cuando se supera, el aerogenerador debe detenerse debido a las ineficiencias del sistema. Todos los sistemas con control de paso o de velocidad deben detenerse cuando se supera esta velocidad. En un sistema FSFP, el usuario debe introducir la velocidad por encima de la cual podrían producirse daños físicos. En la bibliografía aparece como velocidad extrema, de supervivencia o de diseño. El sistema se apaga cuando la velocidad ambiente supera este valor.

Fracción de rendimiento del sistema

Este campo indica el rendimiento global del aerogenerador. Incluye todas las pérdidas de conversión y las pérdidas transitorias durante el control dinámico cuando la velocidad ambiente del viento está entre las velocidades nominal y de parada (véanse los campos anteriores).

El usuario también puede especificar las pérdidas de entrega desde el sistema al área local. Si no introduce una fracción, el modelo supone el valor predeterminado 0.835. La fracción debe estar entre cero y uno.

Relación máxima de velocidad de punta

Este campo indica la relación máxima entre la velocidad de punta del rotor y la velocidad ambiente del viento. La velocidad del rotor varía con esta relación para maximizar la potencia cuando se utilizan controles de velocidad variable. El usuario puede ajustar la potencia del sistema o encontrar su relación óptima de velocidad de punta. Esta depende del número de palas y suele ser aproximadamente 6, 5 y 3 para rotores de dos, tres y cuatro palas, respectivamente. En aerogeneradores de eje vertical es menor que en los de eje horizontal y varía con el área de cuerda. Los valores predeterminado y máximo son 5.0 y 12.0.

Método de cálculo de potencia

Hay 2 modelos disponibles:

1-Simple - el modelo de aproximación sencilla utiliza la ecuación general de energía cinética y un coeficiente de potencia máximo para calcular la potencia extraída del viento.
2-Analítico - La potencia de la turbina se calcula a partir de la ecuación del coeficiente de potencia mediante 6 parámetros C_1-6.

Coeficiente de potencia máximo

Es la fracción máxima de potencia que puede extraerse del viento ambiente y solo se requiere cuando se selecciona el método de simulación 1-Simple . Este valor puede calcularse a partir de la curva de potencia publicada en las especificaciones de la mayoría de los fabricantes, mediante la ecuación de energía cinética:

donde:

P = potencia producida a la velocidad nominal del viento [W]

ρ = densidad del aire [kg/m3]

A = área barrida por el rotor [m2]

V = velocidad nominal del viento [m/s]

C_p = coeficiente de potencia

Los valores máximo y predeterminado del coeficiente son 0.59 y 0.35, respectivamente.

Velocidad media anual local del viento

Es la velocidad media anual local del viento que representa un perfil de viento característico de la ubicación del sistema (en m/s o ft/min). Se utiliza para tener en cuenta la diferencia entre los datos de viento del archivo climático y los medidos localmente, de modo que el modelo minimice las incertidumbres causadas por datos inadecuados en el lugar concreto. Como suelen existir diferencias importantes entre ambos conjuntos de datos, es importante considerar esto cuidadosamente para utilizar datos locales precisos en la simulación. El modelo determina internamente un multiplicador que aplica a los datos del archivo climático ajustados a la altura del sistema.

Altura de la velocidad media local del viento

Es la altura a la que se mide la velocidad local del viento (en m o ft). La velocidad media anual introducida por el usuario, véase el campo anterior, se recalcula internamente a la altura de la estación local mediante funciones existentes de EnergyPlus. La velocidad modificada se utiliza después para ajustar los datos de viento del archivo climático. Los valores mínimo y predeterminado son cero y 50m.

Eje vertical

Para turbinas de eje vertical puede introducir el área de cuerda de la pala y los coeficientes de arrastre y sustentación en la pestaña Eje vertical.

Área de cuerda de la pala

Es el área de cuerda de una sola pala de un sistema VAWT, en (m2 o ft2). Es necesaria para determinar las fuerzas tangencial y normal netas de una pala.

Coeficiente de arrastre de la pala

Es el coeficiente de arrastre de una pala concreta. Se utiliza junto con el coeficiente de sustentación, indicado a continuación, para determinar los coeficientes de fuerza tangencial y normal, de modo que el modelo pueda calcular la potencia del sistema. El usuario debería poder obtener este parámetro de los datos del fabricante. Solo se requiere para sistemas VAWT.

Coeficiente de sustentación de la pala

Este campo indica el coeficiente de sustentación de una pala concreta. Se utiliza junto con el coeficiente de arrastre anterior para determinar los coeficientes de fuerza tangencial y normal, de modo que el modelo pueda calcular la potencia del sistema. El usuario también debería poder obtenerlo de los datos del fabricante. Solo se requiere para sistemas VAWT.

Coeficientes de potencia

Para aerogeneradores de eje horizontal que utilizan el método 2-Analítico de cálculo de potencia , los coeficientes de potencia pueden introducirse en la pestaña Coeficientes de potencia.

Parámetros del coeficiente de potencia C1-C6

Estos seis campos son los parámetros de la ecuación del coeficiente de potencia mostrada a continuación. Se utilizan para determinar el coeficiente de potencia del sistema. El modelo de aproximación analítica del coeficiente de potencia en EnergyPlus es:

donde:

C_p = coeficiente de potencia

C_{1- 6} = parámetros empíricos del coeficiente de potencia

λ = relación de velocidad de punta (conocida como TSR)

λ_i= relación de velocidad de punta en el i-ésimo paso de tiempo

θ = ángulo azimutal del paso, 0 [degree]

Los valores predeterminados se indican en la tabla siguiente.

C₁	C₂	C₃	C₄	C₅	C₆
0.5176	116	0.4	0.0	5.0	21