Com funciona el sistema de control de guinyada en aerogeneradors
Els aerogeneradors moderns estan dissenyats per capturar tanta energia com sigui possible dels canvis de direcció i velocitat dels corrents de vent. Per garantir que el rotor (pala) sempre "estigui orientat" cap al vent en l'angle correcte, la turbina requereix un mecanisme que pugui girar la góndola (nacel·la) segons els canvis de direcció del vent. Aquest mecanisme s'anomena sistema de control de guinyada. En poques paraules, la guinyada és la rotació de la turbina al voltant d'un eix vertical, de manera que el pla de rastreig del rotor roman paral·lel a la direcció del vent entrant. Aquest article tracta com funciona el sistema de control de guinyada en els aerogeneradors, els seus components principals, les estratègies de control i els reptes i el manteniment.
1. Per què és important el control de la guinyada?
L'objectiu principal del control de la guinyada és minimitzar la desalineació de la guinyada, la diferència angular entre la direcció del vent i la direcció de desplaçament del rotor. Si el rotor està desalineat amb el vent, part de l'energia del vent "passa" a través del rotor sense ser capturada de manera òptima. L'impacte:
1. Disminució de la potència de sortida. En general, com més gran sigui el desalineament, més gran serà la disminució de la potència de sortida.
2. Augmenten les càrregues estructurals. Quan el vent ve del costat, les forces aerodinàmiques es tornen asimètriques i desencadenen càrregues dinàmiques sobre les pales, el cub, l'eix i la torre.
3. Vibració i desgast accelerat. La desalineació pot augmentar la vibració i accelerar el desgast dels components mecànics.
Amb un bon control de la guinyada, la turbina pot mantenir l'eficiència i allargar la seva vida útil.
2. Principis bàsics del sistema de guinyada
Els aerogeneradors d'eix horitzontal (HAWT) solen utilitzar un sistema de guinyada activa, que fa girar activament la góndola mitjançant un motor. A diferència de les turbines petites, que de vegades utilitzen una cua (àlep) per "seguir" passivament el vent, les turbines a escala comercial gairebé sempre utilitzen la guinyada activa a causa de la gran massa de la góndola i la necessitat d'un control precís.
Quan el sensor detecta un canvi en la direcció del vent, el controlador (controlador PLC/SCADA) calcula quant ha de girar la turbina. Si l'angle de desalineació supera un cert llindar, el motor de guinyada acciona els engranatges del coixinet de guinyada, fent que la góndola giri fins que estigui alineada.
3. Components principals del sistema de control de guinyada
a) Sensor de velocitat i direcció del vent
Per sobre de la góndola hi ha normalment:
– Penell per mesurar la direcció del vent respecte a la góndola.
– Anemòmetre per mesurar la velocitat del vent.
Aquestes dades són l'entrada principal per determinar si cal fer una correcció de guinyada.
b) Rodament de guinyada
El coixinet de guinyada és un coixinet gran, en forma d'anell, que permet que la góndola giri sobre la torre. Aquest coixinet ha de ser capaç de suportar la càrrega combinada: el pes de la góndola, l'empenta del rotor i les càrregues dinàmiques causades per la turbulència.
c) Accionament de guinyada i motor de guinyada
Un accionament de guinyada normalment consta de diversos motors elèctrics (sovint més d'un per redundància) que accionen un pinyó que engrana amb una corona dentada del coixinet de guinyada. Els motors poden funcionar alternativament o simultàniament segons el disseny i els requisits de parell.
d) Fre de guinyada
A més del motor, hi ha un sistema de frenada per evitar que la góndola giri lliurement. Els frens de guinyada són essencials per a:
– estabilitzar la posició quan la turbina assoleix l'angle desitjat,
– evitar petits moviments continus (caça de guinyada),
– subjectar la góndola durant certes condicions de vent o quan la turbina s'atura.
e) Controlador de turbina (Controlador)
El controlador rep senyals de sensor, aplica la lògica de control i després envia ordres als motors i frens. El controlador també implementa bloquejos de seguretat: per exemple, evitant la guinyada quan falla un sensor, quan la turbina està en determinats modes o quan les velocitats del vent són extremes.
4. Com determina la turbina quan ha de girar?
Les turbines no sempre es corregeixen cada cop que el vent canvia lleugerament. Si són massa sensibles, el sistema es mourà amb freqüència i accelerarà el desgast del motor, la petita caixa de canvis de l'accionament de guinyada i els coixinets de guinyada. Per tant, el control de guinyada generalment utilitza els conceptes de llindar (banda morta) i retard de temps.
a) Error de guinyada i banda morta
– Error de guinyada = direcció del vent mesurada – posició actual de la góndola
– La banda morta és un rang de tolerància, per exemple de ±5° a ±15° (varia segons els fabricants i les estratègies de control).
Si l'error de guinyada encara es troba dins de la banda morta, la turbina decideix no moure's.
b) Retard de temps i filtratge de dades
La direcció del vent fluctua a causa de la turbulència. Per tant, les dades dels sensors solen ser:
– filtrat mitjançant la mitjana mòbil,
– avaluat durant un període de temps (per exemple, de 10 a 60 segons),
perquè la turbina no reaccioni al "soroll" momentani.
c) Estratègia de pas de guinyada
En lloc de girar contínuament, les turbines sovint giren a petits passos. Giren uns quants graus, s'aturen, reavaluen i després reprenen la seva funció si cal. Aquest enfocament ajuda a reduir l'oscil·lació i a controlar les càrregues mecàniques.
5. Procés de treball seqüencial del control de guinyada
El següent és un flux de treball comú per a turbines a gran escala:
1. Mesura de les condicions del vent. El penell llegeix la direcció del vent respecte a la góndola, l'anemòmetre llegeix la velocitat.
2. Càlcul de la desalineació. El controlador calcula l'error de guinyada i comprova si supera la banda morta.
3. Comprovació de l'estat operatiu. El sistema garanteix que la turbina estigui en una condició de guinyada segura: sense alarmes crítiques, frens preparats, motors disponibles i límits de rotació del cable segurs (per a dissenys amb cables dins de la torre).
4. Allibereu els frens de guinyada (si cal). Es poden alliberar els frens per permetre que la góndola es mogui.
5. Activació del motor de guinyada. El motor gira la góndola cap al vent. La velocitat de guinyada es manté relativament lenta per reduir la càrrega (per exemple, uns quants graus per segon).
6. Frenada i bloqueig de posició. A mesura que s'acosta l'angle objectiu, el motor s'atura i els frens mantenen la góndola estable.
7. Verificació. El sensor torna a llegir per veure si l'error de guinyada ha disminuït. Si no, el cicle es repeteix.
6. Relació del control de guinyada amb el control de pas i potència
El control de guinyada no existeix de manera aïllada. En les turbines modernes, hi ha tres controls principals complementaris:
– Control de pas: canvia l'angle de les pales per regular la potència i la càrrega.
– Control de velocitat del rotor: ajusta la rotació del rotor (mitjançant el generador i el convertidor).
– Control de guinyada: garanteix que el rotor estigui orientat cap al vent.
Per exemple, amb vents molt forts, la turbina pot entrar en mode de limitació de potència a un cert angle de pas. En aquestes condicions, el sistema de guinyada es pot fer més conservador per evitar augmentar la càrrega. Per contra, en condicions de producció normals, la guinyada serà més activa per aconseguir eficiència.
7. Reptes i problemes comuns en els sistemes de guinyada
a) Caça de guinyada
Això passa quan la turbina canvia la direcció de guinyada massa sovint a causa d'un senyal sorollós de la direcció del vent o una banda morta molt petita. Això provoca un desgast del motor, els frens i els coixinets.
b) Desgast del coixinet de guinyada i de l'engranatge
A causa de les càrregues pesades i el moviment repetitiu, la lubricació i la inspecció són essencials. La desalineació dels engranatges, una mala lubricació o l'entrada de contaminants poden accelerar els danys.
c) Fallada del sensor
Si el penell està malmès o l'anemòmetre dóna lectures incorrectes, la turbina podria estar orientada en la direcció equivocada. Moltes turbines utilitzen diagnòstics i redundància per detectar sensors defectuosos.
d) Límit de torsió del cable
En alguns dissenys, els cables elèctrics i de senyal dins de la góndola es poden torçar si la guinyada es gira massa en una direcció. Per tant, hi ha sistemes de control de torsió, com ara un sensor de torsió i un procediment de desenroscament, per restaurar la góndola.
8. Cura i bones pràctiques
Perquè el sistema de guinyada funcioni de manera òptima, els operadors solen aplicar:
– Calibrar periòdicament el sensor de direcció del vent.
– Comprovació del fre i del motor: temperatura, corrent i resposta de frenada.
– Lubricar els coixinets i els engranatges de guinyada segons el programa del fabricant.
– Anàlisi de dades SCADA: monitorització de la freqüència, la durada i els patrons d'error de la deformació. Els canvis en els patrons poden indicar problemes precoços.
– Inspecció visual de la corona dentada, els cargols i l'estructura de la góndola.
Conclusió
El sistema de control de la guinyada és clau per mantenir els aerogeneradors orientats cap al vent i generar energia de manera eficient, alhora que manté càrregues estructurals segures. Mitjançant sensors de velocitat i direcció del vent, el controlador determina quan la desalineació és prou gran per corregir-la, després aplica l'accionament de la guinyada a través del motor i manté la posició amb frens. Estratègies com la banda morta, el filtratge de senyals i la graduació de la guinyada s'utilitzen per equilibrar dos objectius sovint contradictoris: una resposta ràpida als canvis de vent i minimitzar el desgast dels components. Com que operen en entorns extrems i suporten càrregues significatives, els sistemes de guinyada requereixen un disseny fiable i un manteniment programat per mantenir un rendiment òptim de la turbina durant tota la seva vida útil.
