28 de noviembre de 2024
China posee abundantes recursos de energía eólica marina, y la energía eólica marina ofrece ventajas como una alta eficiencia operativa, distancias de transmisión más cortas, un consumo de energía centralizado y un uso mínimo del suelo. Bajo los objetivos mundiales de "doble carbono", la energía eólica marina está llamada a convertirse en un foco importante del desarrollo de las energías renovables de China.
Sin embargo, la frecuencia de operación de los sistemas de energía eólica marina es relativamente baja, lo que reduce la impedancia de las líneas de transmisión y aumenta significativamente la capacidad de transmisión de energía. En comparación con la energía eólica terrestre, los sistemas marinos operan en entornos más hostiles, enfrentando desafíos como la alta humedad, las temperaturas extremas, el moho y la corrosión por niebla salina. Estas condiciones provocan un aumento de los costos de mantenimiento y reparación, por lo que la selección de los materiales adecuados para el transformador resulta crítica.
Como equipo central de los sistemas de transmisión y distribución de energía, los transformadores desempeñan un papel fundamental en los proyectos de energía eólica marina. Los núcleos de los transformadores están típicamente fabricados con chapas de acero al silicio, cuyas propiedades —como la conductividad eléctrica, la permeabilidad magnética, las pérdidas en el núcleo y la densidad de flujo magnético— varían con los cambios de temperatura y de frecuencia. Estas variaciones impactan directamente en la eficiencia operativa del transformador. En consecuencia, seleccionar los materiales adecuados del transformador es crucial para las aplicaciones de energía eólica marina. Para investigar los patrones generales de las pérdidas de los transformadores en condiciones de operación de baja frecuencia y baja temperatura en los sistemas de energía eólica marina, un equipo de investigadores liderado por Li Xiang de la Universidad de Energía Eléctrica de Shanghái (Shanghai University of Electric Power) realizó un estudio en profundidad. Esta investigación fue apoyada por el Programa Nacional Clave de Investigación y Desarrollo (2021YFB2401100) y el Proyecto de Ciencia y Tecnología de la State Grid Corporation of China.
1. Variaciones de las propiedades magnéticas de las chapas de acero al silicio bajo diferentes temperaturas y frecuencias en excitación de baja frecuencia
Los investigadores emplearon ensayos con cuadro de Epstein y análisis por elementos finitos para medir las propiedades magnéticas de las chapas de acero al silicio. Evaluaron las curvas de magnetización y de pérdidas de las chapas de acero al silicio a diferentes temperaturas (-40°C, 0°C, 23°C, 40°C, 80°C) y frecuencias (50 Hz y 20 Hz).
Los hallazgos revelan:
La intensidad de campo magnético en la saturación magnética aumenta con el incremento de la temperatura. Sin embargo, a una misma intensidad de campo magnético, la densidad de flujo magnético disminuye al aumentar la temperatura. En estado no saturado, las variaciones de temperatura tienen un impacto relativamente menor sobre el comportamiento de magnetización.
Las pérdidas específicas en el núcleo de las chapas de acero al silicio están influenciadas por la frecuencia de operación del núcleo del transformador, la densidad de flujo magnético y la temperatura. A medida que aumenta la temperatura, las pérdidas específicas en el núcleo disminuyen gradualmente, siendo el efecto dependiente de la temperatura más pronunciado a densidades de flujo magnético entre 1.25 T y 1.75 T.
2. Variaciones de las pérdidas de los transformadores a diferentes temperaturas y frecuencias
Mediante el método de elementos finitos, los investigadores simularon las proporciones de pérdidas por histéresis y por corrientes de Foucault de los transformadores bajo diferentes frecuencias y temperaturas de operación. Las pérdidas adicionales quedaron excluidas de este estudio, centrándose únicamente en las proporciones de pérdidas por histéresis.
Los resultados muestran:
A la frecuencia industrial de 50 Hz, las pérdidas por histéresis representan una proporción importante de las pérdidas en vacío del núcleo de las chapas de acero al silicio. A la frecuencia más baja de 20 Hz, la proporción de pérdidas por histéresis disminuye.
La proporción de pérdidas por histéresis disminuye al aumentar la temperatura.
A la baja frecuencia de 20 Hz, las proporciones de pérdidas por histéresis se ven influenciadas de manera más significativa por los cambios de temperatura en comparación con frecuencias más altas.
Esta investigación proporciona conocimientos esenciales sobre los mecanismos de pérdidas de los transformadores en condiciones de baja frecuencia y baja temperatura, y ofrece orientación para reducir las pérdidas de los transformadores y optimizar los diseños futuros de los sistemas de energía eólica marina.
