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Tercer Congreso Nacional – Segundo Congreso Iberoamericano
Hidrógeno y Fuentes Sustentables de Energía – HYFUSEN 2009
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PROYECTO HACHE. PARTE III: DISEÑO DE UN GENERADOR ELÉCTRICO
PARA SISTEMAS EÓLICOS DE BAJA POTENCIA
Barragán L.C.(1) Sagardoy I.(1), Cristófalo M.P.(1), Somoza J.I.(1), Orbez M.H.(1), D’Atri
M.V.(1), Gill P.(2), Fasoli H.J.(1)
(1)
Facultad de Ciencias Fisicomatemáticas e Ingeniería, Universidad Católica Argentina, Alicia M. de
Justo 1500, (1107) Buenos Aires, Argentina.
(2)
Facultad de Ingeniería, Universidad de Buenos Aires, Paseo Colón 850, (1063) Buenos Aires,
Argentina.
[email protected]
RESUMEN
El Proyecto Aerogeneradores UCA, como parte del Programa de Desarrollo, Investigación y
Divulgación de Tecnologías del Hidrógeno (IDIH, conocido como Proyecto HACHE) de la Facultad
de Ciencias Fisicomatemáticas e Ingeniería de la Universidad Católica Argentina (UCA), tiene como
objetivo el diseño y construcción de aerogeneradores de baja potencia para ser utilizados en lugares
aislados de la red eléctrica en la Patagonia. En trabajos anteriores mostramos que para cumplir con ese
objetivo la potencia de los aerogeneradores utilizados debe ser de 1 kW aproximadamente, con la que
se satisfacen los requerimientos básicos para pobladores rurales y puestos permanentes de seguridad y
mantenimiento como, por ejemplo, guarda faros.
La experiencia obtenida a partir de los primeros prototipos denominados Patagón I y Patagón II, en
los que se utilizaron alternadores comerciales, puso en evidencia inconvenientes asociados
principalmente a la excitación del campo inductor y a la necesidad de un sistema de multiplicación de
la velocidad de giro. Se concluyó que se debía diseñar un generador eléctrico apropiado para esta
aplicación, optándose por un generador de imanes permanentes de acople directo, el que se empleará
en el próximo equipo eólico al que llamamos Josh Aike.
La construcción del primero de este tipo de generadores se realizó priorizando la disponibilidad y
fabricación nacional de los materiales. Asimismo se ajustaron los parámetros de diseño para asegurar
la robustez y confiabilidad del prototipo, sin hacer hincapié en los detalles.
Finalizada la etapa de construcción, el prototipo se ensayó en un banco de pruebas con el propósito de
conocer las características de su funcionamiento. Los resultados muestran que esta alternativa se
ajustaría apropiadamente al uso en un sistema eólico, acoplándose en forma directa al rotor. A partir
de esto se comenzó el diseño de las partes restantes del equipo, concentrando los esfuerzos en el rotor
y su electrónica de control.
Palabras Claves: Energía aerogeneradores, Patagonia, generador eléctrico, HYFUSEN 2009.
1. INTRODUCCIÓN
Los primeros aerogeneradores que se
desarrollaron en el marco del Proyecto
Aerogeneradores de la Universidad Católica
Argentina, denominados Patagón I y II (Figura
1), utilizaron como generador eléctrico
alternadores de camión Nashville. Esta decisión
se basó en la búsqueda de una solución confiable
y económica para los sistemas eólicos, pese a
que desde un comienzo se conocían su bajo
rendimiento y otros inconvenientes derivados de
la necesidad de contar con un mecanismo de
multiplicación de la velocidad de giro entre el eje
del rotor eólico y el del generador. [1]
Los dos aerogeneradores prototipo fueron
instalados en la Patagonia en el transcurso de año
2006 con el objetivo de evaluar su
funcionamiento e implementar mejoras, como
parte de nuestro Proyecto HACHE [1]. Durante
2007 se realizaron tres viajes para controlar los
equipos, tomar datos y realizar ajustes. A partir
de estos viajes, se analizaron los resultados
obtenidos y se sacaron conclusiones. La
experiencia confirmó la robustez y confiabilidad
de los alternadores utilizados como generador
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eléctrico. Sin embargo, el sistema de
multiplicación causaba problemas en la
velocidad de arranque del equipo eólico
(haciendo que ésta tenga un valor elevado) y
aumentaba el tamaño y la complejidad
constructiva de la máquina. Además, como el
campo del alternador era generado con
electroimanes, se diseñó una electrónica de
control para evitar pérdidas cuando el rotor
estuviera detenido o girando lentamente,
situación en la cual hay una pérdida neta de
energía. Sin embargo, el desarrollo de dicho
control resultó muy laborioso y no se obtuvo el
resultado esperado.
Figura 1. Aerogenerador Patagón II.
Por consiguiente, se decidió encarar el diseño del
siguiente prototipo de aerogenerador en base a la
utilización de un generador eléctrico específico
para el aprovechamiento del recurso eólico en
sistemas aislados de baja potencia, con el
propósito de superar los inconvenientes
encontrados en la experiencia previa. Se propuso
entonces el uso de un generador de imanes
permanentes de acople directo con el eje del
rotor eólico.
Se comenzó la nueva etapa buscando
información no solo respecto a cuestiones
técnicas sino también comerciales. Además, se
mantuvieron las premisas de que el nuevo
aerogenerador, al que denominamos Josh Aike,
contara con materiales nacionales accesibles y
económicos, y fuera de mantenimiento simple.
En una primera instancia se evaluó la posibilidad
de que existan fabricantes de generadores que
satisficieran las demandas del proyecto, pero no
se encontró ninguno. Por lo tanto, se procedió al
desarrollo íntegro del generador eléctrico, tal
como se describe a continuación.
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2. DESARROLLO DEL GENERADOR
2.1 Aspectos Generales
El prototipo Josh Aike, al igual que sus
predecesores, fue concebido con el propósito de
brindar 1 kW de potencia eléctrica a velocidades
de viento cercanas a los 11 m/s. Esta potencia se
considera suficiente para satisfacer el consumo
básico de una vivienda pequeña aislada de la red
eléctrica. [1]
Para este desarrollo se tuvo en cuenta
principalmente las dimensiones del rotor eólico,
la potencia eléctrica generada a las respectivas
velocidades de giro del rotor (curva de potencia)
y características como la tensión y la corriente
eléctrica de trabajo. Asimismo, se contemplaron
distintos tipos de generadores eléctricos, de flujo
axial y de flujo radial. Dentro de esta última
categoría también se analizaron las bondades y
perjuicios de la configuración con imanes por
dentro del estator en comparación con la que
ubica los imanes por fuera del estator.
En base a este estudio preliminar comparativo se
discutieron las distintas opciones, sus ventajas y
sus contras, y se delinearon sus parámetros de
diseño.
2.2 Características del generador
La fiabilidad de una turbina eólica disminuye en
caso de utilización de caja multiplicadora, la que
está sujeta a fatiga mecánica y vibraciones, y
requiere lubricación y un mantenimiento más
frecuente con costos considerables. Los
generadores de acople directo se diferencian de
los convencionales por su menor velocidad
nominal y su elevado torque nominal. Esta
diferencia es importante, ya que el tamaño y las
pérdidas de la máquina dependen del torque, por
lo que los generadores de acople directo resultan
más pesados y menos eficientes que los otros.
Sin embargo, por la ausencia de la caja
multiplicadora, la eficiencia del sistema en su
conjunto resulta mayor al sistema convencional,
sobre todo en carga parcial. El uso de un
regulador electrónico de tensión permite la
operación en velocidad variable y, por lo tanto,
mejora la utilización de la energía disponible del
viento. Sin embargo, introduce costos extras y
pérdidas adicionales. [2]
La generación del campo magnético de una
máquina sincrónica puede realizarse mediante un
bobinado de excitación, o bien mediante imanes
permanentes. Para un dado torque nominal, una
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máquina con un mayor número de polos permite
una reducción de masa en el yugo estatórico y en
el hierro rotórico. Esto implica la adopción de
pequeños pasos polares para los cuales los
bobinados de excitación presentan desventajas
frente a los imanes permanentes tales como
peso y volumen mayores. En las máquinas de
imanes permanentes el paso polar puede hacerse
muy pequeño, estando limitado solamente por el
flujo de fuga entre los imanes. Otra desventaja de
los bobinados de excitación es que presentan
pérdidas: a pesar de que éstas ocurren también en
los imanes debido a corrientes parásitas, en
máquinas de baja velocidad, como lo son las de
acople directo, resultan mucho menores a las
pérdidas en el cobre de los bobinados de
excitación.
Para las máquinas con bobinados de excitación,
el entrehierro magnético es menor y, como
consecuencia, la reacción de armadura resulta
importante. Para máquinas con imanes
permanentes, el entrehierro magnético es mucho
mayor dado que la permeabilidad incremental de
los imanes es muy próxima a la unidad.
Consecuentemente, la reacción de armadura
resulta mucho menor para las máquinas con
imanes montados sobre superficie respecto de las
máquinas con bobinado de excitación. [3, 4]
2.3 Rotor eólico
Los primeros parámetros que se fijaron fueron la
potencia que debía ser capaz de desarrollar el
generador y las condiciones de viento nominales.
Se determinó como potencia nominal 1kW, por
las razones ya mencionadas. Definidos esos
parámetros, como primera medida, se estimó el
rendimiento que podría alcanzar el futuro
generador eléctrico, el rendimiento mecánico de
todas las piezas móviles y el aerodinámico del
rotor eólico. Se calculó así el rendimiento total
esperado del sistema según:
Kt
K e ˜K M ˜K A
(1)
donde Șt, Șe, ȘM, ȘA son los respectivos
rendimientos total, eléctrico, mecánico y
aerodinámico.
Con este valor, se calculó la potencia
meteorológica que debía captar el rotor eólico
según:
Pm
Pe
Kt
(2)
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Como la potencia meteorológica es:
Pm
1
˜ U ˜ A ˜V 3
2
(3)
donde U
densidad del aire y V
velocidad
del viento.
El área A barrida por el rotor se calcula como:
D2
A S˜
4
(4)
El diámetro del rotor D se calculó según (3) y
(4), teniendo en cuenta que esta potencia debería
generarse a velocidades cercanas a los 11m/s. Se
estimó además la velocidad de giro del rotor,
realizando una comparación con otras máquinas
eólicas similares y realizando cálculos
estimativos de la velocidad en punta de pala,
cuyo límite está dado por su resistencia
estructural, obteniéndose un valor de 800 rpm.
[8]
2.4 Construcción del generador eléctrico
Se evaluó si el generador iba a ser de flujo axial
o radial. La primera opción tiene la ventaja de
una construcción más simple, pero poco eficiente
respecto del uso del espacio estatórico, lo que
implicaba una máquina de mayor tamaño. La
segunda podía resultar en una máquina más
pequeña y de buen rendimiento, además de ser la
opción más utilizada en máquinas eléctricas, por
lo que se contaba con una vasta información al
respecto. Se optó, así, por un generador de flujo
radial.
Para evitar el uso de anillos rozantes y escobillas
dentro del generador, se decidió que el campo
magnético fuera generado en el rotor. Este último
puede ubicarse tanto por dentro como por fuera
del estator. Aunque la segunda alternativa
implica una superficie mayor para ubicar los
imanes permanentes y la fuerza centrifuga ayuda
a la fijación de los mismos, la construcción de la
máquina iba a ser más compleja y para evitar los
problemas que derivaban de ella, se optó por
colocar el rotor por dentro del estator.
Se utilizó un estator de un motor de una potencia
similar al generador bajo estudio (Ver Figura 2);
esto definió las dimensiones del estator y el
número de ranuras.
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Figura 2. Vista del estator. Pieza realizada con el
software Solid Edge.
Los imanes también restringieron el diseño, dado
que se disponía de una variedad limitada a las
matrices del proveedor. Con la altura del imán y
el entrehierro, pudo definirse finalmente el
diámetro del rotor. (Ver Figura 3).
Figura 4. Generador en banco de pruebas
3.1 Torque de arranque
Para medirlo se le colocó un brazo de palanca al
eje y, en su extremo más alejado, se colocaron
pesas de modo tal que el ángulo formado por la
dirección de la fuerza gravitatoria y el brazo de
palanca sea 90°. Las pesas se fueron agregando
una a una hasta que el brazo de palanca se
movió. El torque se calculó entonces según:
W
Figura 3. Vista del rotor con imanes. Pieza
realizada con el software Solid Edge.
La tensión nominal del generador está definida
por el sistema adoptado para rectificación y
carga de baterías. Para el cálculo del bobinado,
primero fue necesario obtener una estimación del
flujo por polo que generan los imanes. Para esto
se procedió a medir la tensión inducida en una
espira en función de la velocidad. De esta forma,
se pudo obtener experimentalmente el flujo por
polo. Mediante el flujo por polo y la adopción de
una densidad de corriente acorde a la clase de
aislación utilizada se efectuó el cálculo del
bobinado.
3. PRUEBAS Y MEDICIONES
Concluida la construcción del prototipo, se
procedió a realizar los ensayos para determinar
sus características de funcionamiento. Para esto
se utilizó un banco de pruebas construido en
nuestro laboratorio (Figura 4).
Las propiedades a determinar en función de la
velocidad de giro son: la tensión en vacío,
pérdidas en vacío, potencia y rendimiento. Las
propiedades independientes de la velocidad de
giro son: torque de arranque, potencia nominal y
rendimiento nominal.
p ˜ l p b ˜ (l / 2)
(5)
donde: IJ = momento de arranque, p = peso total
de las pesas, pb = peso del brazo de palanca, l =
brazo de palanca.
La experiencia se realizó con un brazo de
palanca cuyo largo era de 0,17 m y peso igual a
1,5876 N y el peso que lo movió fue de 2,646 N,
por lo que torque de arranque, según (5) es:
W = 0,585 Nm.
3.2 Tensión generada
Una de las características más importantes de los
generadores de este tipo es la tensión que es
capaz de generar en función de la velocidad de
giro. Este fenómeno está descripto por la
siguiente ecuación:
V
4,44 ˜ N ˜ I ˜ P ˜ n
120
(6)
donde: V = tensión generada (V), N = número
de vueltas de una bobina, I = flujo abrazado por
una espira (Tm2), P = n° de pares de polos, n =
velocidad de giro (rpm).
Como, a excepción de la velocidad de giro, el
resto de los factores son constantes dadas por las
características constructivas de la máquina, la
ecuación (6) puede escribirse como:
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V
k ˜n
(7)
Puede verse que la respuesta de la tensión
debería ser una función lineal que sólo depende
de la velocidad de giro y de la constante k.
Se midió la tensión a la salida de un puente
rectificador de 6 diodos, en corriente continua,
en función de la velocidad de giro, obteniendo
los datos de la figura 4 que conducen a un valor
de k = 0.0541 V/rpm.
Figura 4. Tensión de corriente continua en vacío
en función de la velocidad de giro.
3.3 Pérdidas en vacío
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interna del generador cuando circulan distintos
valores de corriente y observar que no se superen
70ºC (temperatura máxima seleccionada en
función de los imanes y bobinado). El valor
obtenido fue 23 A.
El siguiente paso es evaluar la potencia eléctrica
generada en función de la velocidad de giro del
eje y el rendimiento de la máquina. Se realizaron
dos ensayos, contemplando distintas formas de
uso del generador. El primer modo de usarlo es
el más simple y es muy común en sistemas
eólicos de baja potencia. Implica conectarlo,
luego del rectificador, directamente a las
baterías, controlando la carga mediante un
sistema electrónico que corte la carga por baja y
alta tensión. En el otro caso, el generador no se
conecta directamente al banco de baterías sino
que pasa por un elevador de tensión que la regula
en el valor de carga de éste. En este último caso,
la tensión del banco de baterías tiene que ser
superior al del anterior.
Para el primer caso se obtuvo una curva de
potencia fijando la tensión en 27 V, valor
nominal de carga de un banco de batería de 24 V.
Los resultados se muestran en las figuras 6 y 7.
Aunque el generador no esté entregando energía
eléctrica, los rozamientos en los rodamientos y
las pérdidas en el núcleo hacen que éste consuma
potencia mecánica al girar.
El ensayo consiste en hacer girar el generador
con un motor a diferentes velocidades y medir la
potencia mecánica que se le está transmitiendo.
El resultado se muestra en la figura 5.
Figura 6. Potencia mecánica y eléctrica a tensión
constante (27V) en función de la velocidad de
giro.
Figura 5. Potencia mecánica en vacío en función
de la velocidad de giro.
3.4 Ensayos de potencia
El parámetro crítico del generador es la corriente
que entrega, ya que si ésta supera al valor
nominal durante cierto tiempo, la temperatura
podría deteriorar el bobinado y los imanes. El
ensayo para determinar la corriente nominal
generada consiste en medir la temperatura
Figura 7. Rendimiento a tensión constante (27V)
en función de la velocidad de giro.
Para el segundo caso, se evaluó la generación a
corriente constante tomando como valor el
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nominal ya que la tensión será regulada en otra
etapa. Los resultados se muestran en las figuras 8
y 9.
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de la potencia obtenida, por lo que creemos
indispensable su desarrollo. Otro aspecto a
destacar es que si se alcanza un mejor nivel de
maquinado, se podrá reducir el entrehierro, lo
que traería mejoras significativas en la potencia
generada.
6. AGRADECIMIENTOS
Agradecemos al Sr. Osvaldo Meyerhoffer, por su
gran aporte al Proyecto Aerogeneradores de la
UCA, al Ing. Hernán López Olaciregui y a los
estudiantes que colaboran con el Proyecto.
Figura 8. Potencia mecánica y eléctrica a
corriente constante (23 A) en función de la
velocidad de giro.
7. REFERENCIAS
[1] Padilla D., Barragán L., Sagardoy I.,
Cristófalo M., Mouras V, Somoza J.,
Domínguez A. y Fasoli, H. “Proyecto
HACHE II: Aerogeneradores de baja
Potencia para pobladores aislados de la
Patagonia”, Actas de HYFUSEN, 2007.
Trabajo 7.8.
Figura 9. Rendimiento a corriente constante (23
A) en función de la velocidad de giro.
4. DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS
Los ensayos realizados muestran que un mismo
generador puede entregar diferentes resultados
según cómo es utilizado y qué carga tiene
conectada a su salida. Para ambos casos fueron:
„
Conexión directa a baterías: la potencia
nominal es de 621 W, a 660 rpm con un
rendimiento del 76 %.
„
Conexión con regulador de tensión: la
potencia nominal asciende a 800 W a 800
rpm con un rendimiento del 77 %.
5. CONCLUSIONES
El trabajo realizado es un pilar central en el
desarrollo de aerogeneradores y constituyó un
salto cualitativo importante en el marco del
proyecto. Los resultados obtenidos son
satisfactorios, aunque la potencia nominal
alcanzada es menor que la deseada en un
principio.
Como
primera
medida,
la
implementación de un regulador de tensión
traería consigo una importante mejora en el valor
[2] Dubois M. ,“Optimized Permanent Magnet
Generator Topologies for Direct-Drive
Wind Turbines”, Tesis Doctoral, Delf
University of Technology, Delf, The
Netherlands, 2004.
[3] Corrales M.,
“Cálculo Industrial de
Máquinas Eléctricas”, Editorial Univ. Polit.
de Barcelona, Barcelona, 1976.
[4] Grauers A, “Design of Direct-driven
Permanent-magnet Generators for Wind
turbines”, Tesis Doctoral, Chalmers Univ.
of Tech., Gothenburg, Sueci, 1996.
[5] “Selecting Alternators and Generators”
www.otherpower.com (última entrada:
mayo 2009).
[6] Zapata Guzmán A., “Caracterización de un
Generador de Imanes Permanentes”, Tesis
de grado. Universidad de los Andes,
Facultad de Ingeniería, Departamento de
Mecánica, Bogota. Colombia, 2001.
[7] Sánchez T., Chiroque J. y Ramirez S.
“Evaluación y Caracterización de un
Aerogenerador de 100 W”, Soluciones
Prácticas-ITDG, 2002.
[8] Bastianón R., “Energía del viento y diseño
de turbinas eólicas”. Tiempo de Cultura
Ediciones. ISBN 950-9135-29-1