Protección y eficiencia de aerogeneradores de energía dotados con compensadores de carga eléctrica

Javier Maldonado, Director técnico de DINNTECO
María Ana Sáenz Nuño, Profesora del IIT- Universidad Pontificia Comillas de Madrid
Paula Weidinger, Wissenschaftlicher Forscher der Physikalisch-Technische Bundesanstalt–PTB. Berlín
Eusebio Bernabéu, Catedrático-Profesor emérito de la Universidad Complutense de Madrid –UCM

Los compensadores de carga eléctrica son dispositivos pasivos, producidos por Dinnteco bajo la denominación de DDCE [1], que permiten la captación y deriva a tierra de corrientes eléctricas en el tiempo. Su funcionamiento se basa en equilibrar el campo eléctrico variable en el entorno de la estructura que protegen, evitando que se generen trazadores eléctricos ascendentes y absorbiendo también la energía electromagnética de radiofrecuencia. Es, por tanto, un sistema de protección frente a descargas atmosféricas que evita el impacto en la infraestructura protegida, desvanece las acciones de radiofrecuencia de agentes exteriores y las derivadas de pulsos de corriente asociados a los rayos nube-nube y nube-tierra [2,3].

Los aerogeneradores están llamados a ser protegidos por los DDCE como infraestructuras críticas de elevado coste que presentan singulares riesgos ligados al medioambiente en que operan. Riesgos que se ven realzados por la abundancia de cargas electrostáticas acumuladas en las palas por la continuada fricción del viento sobre superficies dieléctricas. Recientemente Dinnteco ha desarrollado un dispositivo específico para aerogeneradores -DINEOL (Dinnteco- Eólico) [4]- que ofrece junto a otros dispositivos de producción propia un kit DINEOL [5]. Este conjunto dispositivo protector mejora también la conservación de las palas, disminuyendo su mantenimiento -lo cual en sí mismo supone un incremento de la eficiencia por vía del rendimiento económico-, sino que también los aerogeneradores dotados de estos compensadores de carga eléctrica incrementan directamente la eficiencia de su producción energética. Esto último es el principal objetivo de este artículo como una presentación en primicia.

 

Estructuras protegidas con DDCE
Las infraestructuras de gran tamaño, con partes y componentes metálicas, son elementos conductores de electricidad que requieren de medios de protección frente a posibles descargas eléctricas generadas en el medio ambiente por la electricidad atmosférica. Las nubes se comportan como elementos polares con gran cantidad de cargas con capacidad de liberarse y provocar descargas eléctricas, también el viento por la intra-movilidad de los gases atmosféricos (debida a colisiones e interacciones moleculares) liberan cargas eléctricas (electrones e iones) y también la electrificación superficial de las estructuras sólidas, que en el caso de los aerogeneradores es muy elevada y mantenida en el tiempo. Ello se manifiesta en la posible caída directa de rayos, sobretensiones eléctricas, pulsos de corriente eléctrica, que pueden producir daños muy importantes en las unidades de aerogeneradores, en góndolas y en las redes de interconexión eléctrica de éstos con la subestación colectora, de ella misma y su conexión con la red general eléctrica a la que esté conectada. La protección de todas estas infraestructuras energéticas puede hacerse con dispositivos compensadores de carga eléctrica. La Fig. 1 muestra aerogeneradores protegidos con DDCE instalados en el extremo de las góndolas.

Fig. 1 Aerogeneradores protegidos con DDCE en el extremo de sus góndolas.

 

Cómo gran parte de las infraestructuras protegidas con DDCE, Dinnteco realiza un programa de seguimiento y análisis estadístico basado en la toma de datos meteorológicos concertados con METEORAGE [6]. La Tabla 1 recoge uno de esos estudios de seguimiento temporal (septiembre 2019-febrero 2021) de un aerogenerador protegido con compensadores de carga: 0 impacto de rayos en instalación y en un área <100 m de radio frente a 274 impactos (468 rayos si se incluye 194 descargas nube-nube) en 5km, de ellos el 96,16 % a más de 900m.

Tabla1. Resultados estadísticos de seguimiento de impactos por rayos en el entorno de un aerogenerador con DDCE instalado

No se han constatado impacto de rayo alguno o daños ligados a su caída en zonas próximas fuera del margen estadístico de protección. Ello es un aval de carácter de protección estadística y de la muy alta eficacia de los compensadores de carga.

El medio en que opera un aerogenerador conlleva, como ya se ha señalado, una abundancia de cargas eléctricas en las palas y en la torre de sustentación que suele ser -con bastante generalidad- de cargas de signo negativo (por aporte de electrones) cedidos por la base de las nubes (estrato-cúmulos y cúmulos mayormente) y ligado también a otros agentes atmosféricos como el viento, agente motriz del propio aerogenerador. Para disminuir esta fuerte electrificación se suele conectar a tierra toda la infraestructura del aerogenerador, lo que produce una positivación de la infraestructura. Este proceder es altamente desfavorable para la protección eléctrica del aerogenerador: la positivación del aerogenerador va provocar arcos de descarga entre su entorno cargado negativamente lo que le produce daños superficiales preferentemente en las puntas de las palas y en todos aquellos puntos singulares de la torre de sustentación con discontinuidad y en aquellos elementos con fuertes curvaturas (gradientes de potencial en puntas), lo que acorta la vida útil del aerogenerador; además, lo que es más grave: el incremento de probabilidad de establecer un trazador ascendente entre el aerogenerador cargado positivamente y la base de las nubes cargadas negativamente, dando origen a la descarga de uno o varios rayos. Esto es análogo a la actuación de un pararrayos tipo Franklin (en este caso el aerogenerador se comporta como un enorme pararrayos, con el añadido de estar dotado de buscador dinámico, como son las palas). Ello es bien conocido por el efecto de la caída de rayos con preferencia en los árboles de gran porte (secuoyas, jacarandas, arces, coníferas ...). Como en el pararrayos de Franklin, o en los árboles, la fuerte descarga eléctrica del rayo o rayos irá a parar al propio aerogenerador ‘pretendidamente protegido’, causando fuertes daños o la destrucción del aerogenerador y extendiendo los daños e incidencias a otros generadores, o infraestructuras próximas como, por ejemplo, las instalaciones de la subestación. Sin embargo, el principio básico de los dispositivos DDCE y DINEOL es justamente el contrario, pues pretenden en esencia:

• Crear una ruptura eléctrica entre el aerogenerador y tierra
• Establecer un régimen de descargas eléctricas controlado que, por compensación, vaya derivando a tierra corrientes eléctricas en el tiempo de forma continuada y mantenida, de manera que se obvien avalanchas descontroladas de corriente eléctrica de muy alta intensidad, que son los rayos.

 

Eficiencia de los aerogeneradores dotados con kit DINEOL: sobre el coeficiente de rendimiento energético –Cp- y la Producción Anual de Energía – APE-
La aplicación de los compensadores de carga eléctrica a aerogeneradores presenta un específico reto a resolver: las dimensiones de las palas (de 20 a 90 m), su movilidad y la propia envergadura de la torre de sustentación (hasta ~ 250 m) ofrecen una sección eficaz de captación de cargas eléctricas muy superior a las que otros usos en grandes infraestructuras demandan. Un DDCE puede no ser capaz de colectar en un momento dado esa abundancia de cargas, por lo que hay que complementarlo con un nuevo elemento capaz de atender a ese nuevo requisito. Dinnteco ha resuelto este problema incorporando un elemento receptor de cargas eléctricas extra-cavitario, dispositivo básico DDCE. Este elemento incrementa la capacidad de carga del dispositivo y asegura una más rápida compensación del exceso de cargas asociado al resonador base, función que realiza en cortos intervalos de tiempo controlando la descarga de las cargas que superan el umbral capacitivo del dispositivo básico DDCE.

Gracias a la colaboración de Enel [8] se ha podido iniciar un estudio del comportamiento comparado de la producción energética en aerogeneradores dotados de kit-DINEOL con aerogeneradores en relación a los no dotados con esos dispositivos.

Esta publicación incluye un primer análisis, presentado aquí como una primicia informativa. Se ha partido de los datos de producción energética en relación con la velocidad del viento en aerogeneradores. De este conjunto considerable de datos –big data- (>630.000 datos) pueden extraerse comportamientos generales que permitan evidenciar las ventajas energéticas que aporta el uso del kit DINEOL, aparte de las ya probadas de protección y mantenimiento. La Figura 2 muestra los resultados recogidos en análogos períodos temporales de un mismo aerogenerador (WTG 06. Parque eólico ubicado en Tarragona).

Figura 2. Producción energética (kWh) versus velocidad del viento (m/s) en un mismo aerogenerador WTG-06: a) Con kit DINEOL (13.01.2022-18.02.2022), b) Sin kit DINEOL (13.01.2021-13.02.2021).

 

Estas curvas registradas se corresponden bien con los estándares promedio de las turbinas de viento ajustadas empíricamente por diferentes autores que recurren a la distribución estadística de Weibull; así, por ejemplo, la Figura 3 muestra diferentes
modelizaciones presentadas por J. Kelly [9] para cuatro aerogeneradores en distinto emplazamiento (Reino Unido). Dos parámetros calificadores, extraíbles de las curvas características, son: Cp –coeficiente de conversión de rendimiento energético- y APE – Anual Production Energy-; así los puntos de velocidad del viento: comienzo inicial Uci, de referencia o corte Ur y de meseta superior Uco.

 

Un análisis detallado de los resultados estadísticos realizados por Dinnteco con técnicas de ajuste funcional (diversos modelos que aseguren homocedasticidad) y regresiones lineales pone de manifiesto que:

• El despegue energético acontece antes (Uci ≈ 2m/s) con DINEOL que sin DINEOL (Uci≈2,60m/s).
• La zona de ‘plateaux’ (meseta) se alcanza a velocidades de viento más baja (Ur≈10m/s) con DINEOL que sin DINEOL (Ur≈11m/s). La CpCON≈24 mientras que CpSIN≈21-22, lo que otorga un ratio Ã?â?¹ ≈1,10 que supone un incremento del ~10% favorable al uso de DINEOL.
• Dado el corto periodo temporal comparativo realizado hasta la fecha, carece de sentido su extrapolación al APE -anual- lo que se ha sustituido por un estimador TPE -Temporal Production Energy- reflejada para valores U>Ur; es decir, en zona de meseta. En este caso TPE resulta ser superior con DINEOL en relación a sin DINEOL, en casi un ~13%.
• Con carácter general se aprecia que los aerogeneradores provistos de kit DINEOL presentan menor dispersión estadística de datos frente a los ajustes con los estándares reconocidos como curvas características Eficiencia energética versus velocidad del viento.
• Sin embargo, para valores medios bajos {Uci – Ur/2} de la velocidad del viento hay una acumulación muy favorable en número datos a sin DINEOL. En esta zona el número de datos es superior en casi un 80% a los de con DINEOL. Ello indica que la producción energética sin DINEOL está muy condicionada a esta zona de bajas velocidades del viento. Conviene analizar, pues, detenidamente esta fenomenología para ver si su incidencia es generalizada y, en consecuencia, poder adoptar las posibles acciones tecnológicas para asegurar posibles APE favorables al uso con DINEOL.

Vistos estos resultados se impone, pues, realizar un estudio exhaustivo a periodos temporales largos y con diferentes aerogeneradores que permitan colegir resultados más significativos y encontrar el régimen de trabajo adecuado al mejor rendimiento efectivo. No obstante, se manifiesta la incidencia del uso del kit DINEOL en la eficiencia de producción de energía con una tasa favorable hacia el uso del mismo estimada en ~ 10% superior frente al no uso del kit DINEOL.