Los conductores del viento

LOS AEROGENERADORES, también conocidos como turbinas eólicas, son las unidades de generación que forman parte de los parques eólicos. En los últimos años se han convertido en una solución altamente eficiente y prometedora para la generación de electricidad limpia y renovable, lo que es especialmente relevante para un país como Chile, que cuenta con ventajas competitivas en este campo debido a sus favorables condiciones de viento.

Pero ¿cómo se genera la energía al interior de un molino eólico y de qué forma está compuesto el sistema de equipos y cables que hace posible este proceso, como asimismo la evacuación de la electricidad producida hacia la red?

Francisco Sierra, head of O&M Wind Chile de Enel Green Power, describe el proceso. “El viento que incide sobre las palas, que actúan como si fueran las alas de un avión; hace que estas giren alrededor del eje de un rotor (componente giratorio de una máquina eléctrica). Este giro, tras multiplicar sus revoluciones, se aplica a un generador eléctrico convencional, que es el encargado de transformar la energía mecánica del viento en energía eléctrica”.

Al interior de las imponentes de las torres eólicas se extiende una intrincada red de cables y equipos, que hacen posible la generación de energía y su posterior transmisión hacia la red.

Agrega que, para que el aerogenerador pueda inyectar esa energía eléctrica en la red, habitualmente pasa por un convertidor eléctrico AC/DC/AC, que la adapta y mejora su calidad a lo que se requiere para conectarse al sistema.

“En nuestras turbinas la energía se produce a 690 V de tensión –como referencia, la tensión en nuestras casas son 220 V–; luego se eleva a media tensión –habitualmente 33 kV– en un transformador ubicado dentro de la torre. Junto al transformador se encuentra una celda de protección eléctrica de la turbina, que permite también desconectarla de la red”, detalla el profesional. Después del transformador se sitúa la red de media tensión del parque, que interconecta varias turbinas entre sí y conduce la energía generada por varias de ellas hacia la subestación del complejo. “En la subestación confluyen los circuitos de media tensión, que recogen la energía de todas las turbinas de la central. Posteriormente, esta energía se eleva en un trasformador principal a la tensión de la red en la que el parque se encuentra conectado”, sostiene el experto de Enel Green Power.

Así, complementa el ingeniero, la tensión de entrada de ese transformador principal es de 33 kV (33.000 V) habitualmente y la de salida es la que tiene la red a la que se conecta.

En nuestras turbinas la energía se produce a 690 V de tensión; luego se eleva a media tensión –habitualmente 33 kV– en un transformador ubicado dentro de la torre”, Francisco Sierra, head of O&M Wind Chile de Enel Green Power.

Conversión necesaria

Cristián Osorio, team leader Electrical & SoftwareRegional Operational Engineering de Vestas, describe cómo se desarrolla el proceso en sus instalaciones. Según explica el profesional, el sistema eléctrico de las turbinas eólicas está conformado por el generador, el convertidor y el transformador, entre otros elementos.

A su vez, precisa el ingeniero, el generador está compuesto de manera similar a un motor, incluyendo un rotor conectado mecánicamente con las palas que giran por el viento, y un estator donde se induce corriente eléctrica a partir de la energía cinética del movimiento rotacional obtenido a partir de la corriente eólica. “Los campos electromagnéticos que actúan al interior del generador en base a este movimiento rotacional, son los que permiten esa inducción”, puntualiza el experto.

Añade que la energía generada luego es conducida hacia el convertidor de la turbina. “Este convertidor se encarga de tomar la energía recibida por el generador y mediante un proceso interno de conversión eléctrica –pasando la energía de naturaleza alterna del generador a naturaleza constante, para luego volver a transformarla a una naturaleza alterna– entregar la energía en un estado alterno, pero a la frecuencia adecuada para la red”, detalla.

Cuando una condición interrumpe la producción de modo no esperado, el sistema de control registra este evento, lo que eventualmente activa una serie de equipos para atender la situación y corregirla”, Cristián Osorio, team leader Electrical & Software-Regional Operational Engineering de Vestas.

“En Chile, usamos una frecuencia de 50 Hz en nuestras redes eléctricas; en las turbinas Vestas, por lo tanto, el convertidor es el encargado de que la energía se encuentre a esa frecuencia”, agrega.

Según el ingeniero, el siguiente componente relevante es el transformador principal. Explica que la función de este equipo es modificar la amplitud de tensión y corriente eléctrica, a fin de llevarla a los niveles adecuados para ser transmitida a la subestación del parque eólico. “Esta relación de amplitud puede variar de parque en parque, teniendo que establecerse en base a la red de media tensión definida. Por ejemplo, es común ver una transición de tensión de 650 Vac (voltios de corriente alterna, por sus siglas en inglés) a 34.500 Vac por este medio”, afirma.

El ejecutivo resalta que todos componentes antes descritos son monitoreados por un sistema de control interno, equivalente a lo que vendría siendo un PLC (Programmable Logic Controller, por sus siglas en inglés) en un sistema productivo, que interactúa con los componentes de protección. Este

Componentes de un circuito eléctrico de aerogenerador y sus funciones

• GENERADOR: Transforma energía mecánica en eléctrica.

• CONVERTIDOR: Adapta la intensidad y forma de la onda generada por el generador a los requisitos de la red.

• TRANSFORMADOR DE TURBINA: Eleva la tensión del valor de salida del generador a la media tensión de los circuitos internos de la planta.

• INTERRUPTOR DE TURBINA:

I. INTERRUPTOR EN 690 V: Interrumpe la energía que sale del convertidor y que entra en el transformador de turbina.

II.INTERRUPTOR DE MEDIA TENSIÓN: Interrumpe la energía que sale del transformador de turbina y que sale de la misma hacia la subestación.

• CELDAS DE MEDIA TENSIÓN: Ubicadas en la subestación, recogen la energía de los aerogeneradores y la canalizan a través del interruptor principal de media tensión hacia el trasformador principal. Existe además un circuito de consumos auxiliares para extraer una pequeña parte de la energía para los consumos locales de la planta (sistemas, iluminación, etc.).

• TRANSFORMADOR PRINCIPAL: Transforma la energía de media tensión (33 kV habitualmente) a la tensión de la red eléctrica a la que se conecta la planta.

• INTERRUPTOR PRINCIPAL AT: Es el interruptor que desconecta de la red la totalidad de la planta, incluido el transformador principal.

Fuente: Enel Green Power sistema se encarga de validar que las condiciones sean suficientes para la producción, incluyendo con ese fin parámetros ambientales, estado de componentes, niveles eléctricos y sistema de seguridad, entre otros.

Mantenimiento y nuevas tecnologías

Los aerogeneradores y sus sistemas requieren de mantenimiento periódico. En cuanto a los circuitos eléctricos, Cristián Osorio destaca que lo más relevante es la revisión del sistema de seguridad y validar que los componentes de protección se encuentren operando de manera apropiada frente a una potencial anomalía: “Cuando una condición interrumpe la producción de manera no esperada, el sistema de control registra este evento, lo que eventualmente activa una serie de equipos dentro de Vestas para poder atender la situación y corregirla”.

Por otro lado, frente a la irrupción de herramientas tecnológicas como la IoT, Big Data o Inteligencia Artificial (IA), y su implementación en la operación de centrales renovables, Francisco Sierra comenta: “El análisis de datos, IA, como machine learning, y otras tecnologías de última generación, están muy presentes. Cada aerogenerador tiene cientos de puntos que proporcionan datos de temperatura, presión, potencia, tensiones, intensidad de corriente, velocidad y dirección de viento, y vibraciones. Todos esos datos se almacenan y gestionan para predecir futuras fallas con anticipación y para monitorear de manera amplia la condición de los componentes”.

Desde otra perspectiva, Cristián Osorio comenta que la firma danesa es “cuidadosa” en cuanto a la incorporación de este tipo de herramientas. “Una de las prioridades de Vestas al momento de pensar en el manejo de información es la ciberseguridad; lo principal es mantener seguras nuestras redes de control y monitoreo de nuestros clientes”, afirma el ingeniero, detallando que “las tecnologías de IA se encuentran en estudio dentro de la compañía”.

Cables en las turbinas

Un componente central de los circuitos eléctricos de aerogeneradores son los cables. Prysmian Group (Cocesa), empresa especia lizada en este tipo de artículos, provee para las centrales eólicas desde cables de torsión, media tensión y los distintos cables de energía en cobre y aluminio, hasta fibra óptica, afirma Wilmer Higuera, key account manager de Energías Renovables para Chile y Perú de la compañía.

El ejecutivo explica que los cables para parques eólicos se clasifican en dos grandes familias. Primero, los de energía, que son aquellos utilizados en la operación del parque y en el transporte de la energía producida, hasta las líneas de distribución. Pueden ser de cobre y/o aluminio y operan en diferentes niveles de voltaje.

Los cables de fibra óptica son dieléctricos, libres de halógenos y optimizados desde el punto de la vista de la compresión, para garantizar un método de instalación práctico y confiabilidad durante su vida útil”, Wilmer Higuera, key account manager de Energías Renovables para Chile y Perú de Prysmian Group (Cocesa).

Asimismo, están los cables de comunicaciones. “Según la tecnología seleccionada, estos pueden ser cables UTP, fibra óptica o ambos. Básicamente, sirven para los sistemas de monitoreo de la operación del parque”, sostiene el profesional.

Cristián Osorio, team leader Electrical & Software-Regional Operational Engineering de Vestas.

En esta línea, Prysmian destaca los cables Windflex, utilizados en el interior del mástil de los aerogeneradores para transportar la energía desde las turbinas hasta los equipos en tierra. Posee varias características que le permiten girar junto con la turbina, según la dirección del viento.

Foto: Gentileza P

Además, están los cables de fibra óptica. “Son cables dieléctricos libres de halógenos y optimizados desde el punto de la vista de la compresión, para garantizar un método de instalación práctico y confiabilidad durante su vida útil”, añade Wilmer Higuera.

Wilmer Higuera, key account manager de Energías Renovables para Chile y Perú de Prysmian Group (Cocesa).

Francisco Sierra, head of O&M Wind Chile de Enel Green Power.