BARRERAS TECNOLOGICAS QUE DEBEN SUPERAR LOS

Tercer Congreso Nacional – Segundo Congreso Iberoamericano
Hidrógeno y Fuentes Sustentables de Energía – HYFUSEN 2009
10-08
BARRERAS TECNOLOGICAS QUE DEBEN SUPERAR LOS
AEROGENERADORES DE BAJA POTENCIA EN LA PATAGONIA
Gómez Rodolfo (1); Eduardo Martínez (2); Enrique Casares (3); Adrián Rearte (4)
(1) (2) Universidad Nacional de la Patagonia San Juan Bosco, Calle: Ruta Pcial. No 1 -Ciudad
Universitaria - Km. 4, Código postal: 9000Ciudad Comodoro Rivadavia, Provincia del Chubut, País:
Argentina; e-mail: [email protected]; [email protected]
(3) (4) CER Patagonia SRL; Calle: Córdoba 543; Comodoro Rivadavia.; Código postal: 9000; Ciudad
Comodoro Rivadavia, Provincia del Chubut; País: Argentina; e-mail: [email protected]
e-mail del autor que recibe la correspondencia: [email protected]
Palabras Claves: Aerogeneradores pequeños, rafagosidad, tecnología, palas
RESUMEN:
En la Patagonia Argentina vive una apreciable cantidad de población rural dispersa y también aldeas
escolares que son asentamiento compuesto por entre 10 y 60 personas, que construyen sus viviendas
alrededor de un edificio escolar, con el fin que sus hijos tengan acceso a la educación formal. Por lo
general los pobladores son dueños o peones en pequeños campos de los alrededores. Estos lugares de
nuestra Patagonia cuentan con energía eléctrica en horario restringido, suministrada por medio de
grupos electrógenos. La energía generada a partir de combustible fósil se utiliza para
electrodomésticos y provisión de agua. En virtud de estas necesidades la empresa CER Patagonia ha
desarrollado un aerogenerador de 0,8 Kw. El cual diseñó, construyó y se encuentra estudiando
analizando y refinando en forma continua los diferentes componentes estructurales del mismo. El
ambiente donde debe funcionar dicho aerogenerador es muy riguroso debido a las características
arrachadas del viento Patagónico. Los parámetros característicos del viento como la “turbulencia”,
“intensidad de la turbulencia” y la “rafagosidad del viento” (lo constituyen los valores máximos,
rachas o picos de viento que implican variaciones bruscas de esfuerzos dinámicos) en ciertos instantes
de tiempo se ha determinado que superan los valores estándares. En este contexto los elementos
estructurales están sometidos a cargas mecánicas variables que no aparecerían en el mismo si estos
funcionaran en otra región del mundo, lo que genera fallas anormales, algunas de ellas están
caracterizadas por el problema de fatiga en diferentes elementos estructurales. El trabajo que se
presenta aborda la problemática de las barreras tecnológicas que deben superar los aerogeneradores de
baja potencia, se describen las soluciones propuestas a fallas recurrentes que se han detectado y se
plantean alternativas de construcción para elementos claves como son las palas.
Palabras Claves: Micro turbinas, desarrollo tecnológico, turbulencia, palas
1. INTRODUCCIÓN
En la Patagonia las modernas aeroturbinas de
gran tamaño instaladas por la S.C.P.L. (Sociedad
Cooperativa Popular Limitada) usadas en
granjas eólicas para producir electricidad en
grandes redes constituyen una tecnología madura
y tienen un coeficiente de utilización del 32% en
el entorno de la ciudad de Comodoro Rivadavia.
Las aeroturbinas pequeñas, cuyo umbral de
potencia llega hasta 10 Kw. no han recibido la
misma atención ingenieril que las grandes
turbinas
Estas turbinas son usadas a menudo en áreas
remotas en el ámbito rural en conjunto con un
generador Diesel eléctrico y un sistema de
baterías para suministrar potencia a un usuario a
o pequeñas aldeas escolares. En la Patagonia
Argentina existe una considerable población
dispersa que requiere energía eléctrica.
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Actualmente se esta desarrollando en la
Provincia del Chubut el PERMER (Programa de
Energías Renovables para Mercado Rural)
Las micro turbinas
tienen una serie de
problemas que son únicos debido a que la
aerodinámica básica de las palas es
independiente de su dimensión, los más
importantes son: comportamiento inestables de la
góndola, requerimientos de protección especiales
por sobre velocidad, dificultad para construir
palas con elevadas tolerancias, resistencia a las
sobrecargas y vibraciones generadas por el
viento, emisión de ruidos aerodinámicos y
elevados ángulos de ataque.
Debe señalarse el comportamiento único en el
transitorio de arranque con bajos números de
Reynolds.
Las turbo máquinas se caracterizan por disminuir
sus dimensiones y aumentar su velocidad de
rotación para transferir energía lo cual define que
las cargas dominantes de la pala se deben a
fuerzas centrífugas.
Este artículo describe las características básicas
de pequeñas aeroturbinas, las dificultades
tecnológicas que se superaron en la construcción
de una micro turbina de 800 Watts destacando
los esfuerzos que se realizan a nivel local por
tecnólogos de la empresa CER Patagonia SRL y
docentes de la Facultad de Ingeniería de la
UNPSJB para desarrollar la tecnología de estos
aeromotores en un ambiente donde las cargas
estructurales que genera el viento son muy
severas.
2. DESARROLLO DEL TRABAJO
Durante el desarrollo de las aeroturbinas de baja
potencia que fueron diseñadas, construidas y
testeadas en campo se afrontaron dificultades en
los siguientes aspectos:
2.1 Proceso de arranque
2.2 Peculiaridades de las palas
2.3 Sistema de control
2.4 Sobrecargas eólicas
2.5 Vibraciones en la estructura
2.6 Emisión de ruidos
A continuación se realiza una síntesis técnica de
los puntos mencionados
2.1 Proceso De Arranque
Las pequeñas aeroturbinas se basan en el torque
aerodinámico para el arranque y de un sistema de
orientación relativamente simple para ubicar las
palas en contra del viento. Para palas con
semejanza geométrica, operando a densidad
constante y a la misma velocidad periférica, el
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número de Reynolds depende del radio; la
potencia efectiva depende del cuadrado del radio;
las fuerzas centrifugas dependen del cuadrado
del radio; el torque de arranque depende del cubo
del radio y la inercia de las palas es proporcional
al radio elevado a la quinta potencia.
Una particularidad que caracteriza las micro
turbinas es la dificultad en la generación del
torque de arranque. Por otro lado la pequeña
dependencia del número de Reynolds en la
cuerda sobre el radio significa que este
parámetro en las pequeñas turbinas es muy bajo,
al menos durante el transitorio de arranque.
Consideremos el caso más simple una turbina
estacionaria que tiene torque resistente en el
alternador, cuando el viento comienza a soplar,
la aceleración angular esta dado por el torque
aerodinámico dividido por la inercia rotacional
de la pala [1]. El arranque es por lo tanto
independiente del número de palas y se facilita
con la minimización del momento de inercia
reduciendo el peso de las palas.
2.2 Peculiaridades de las palas
Las pequeñas palas para aeroturbinas son
corrientemente fabricadas a partir de compuestos
laminados de fibra de vidrio o por compuestos
laminados de fibras de carbón. Deben ser
diseñadas de tal manera que satisfagan las
necesidades aerodinámicas de elevada eficiencia,
tener
elevada
integridad
estructural
y
propiedades consistentes que soporten elevado
número de ciclos de flexión para tener una vida
extremadamente larga a la fatiga con costos de
comercialización razonables.
Los compuestos laminados requieren moldes con
elevada integridad dimensional la cual puede ser
tallada usando control numérico.
Con un diseño cuidadoso una pala con masa muy
pequeña tiene una inercia rotacional muy baja la
cual conduce a un fácil arranque. Hasta el
presente la principal barrera para el uso de
materiales compuestos es el elevado costo de los
moldes y la inversión en técnicas de fabricación
y desarrollo. Las técnica de construcción de palas
con
materiales
compuestos
utilizadas
mundialmente
incluyen técnicas manuales,
moldeo de la resina y el moldeo por inyección.
Actualmente se usa la técnica del moldeo de la
resina para construir las palas aunque no es las
mas efectiva en términos económicos.
2.3 Sistema de control
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Debe señalarse que los avances en el control
mediante la utilización de PLC tienen
fundamental importancia en su aporte para
elevar el nivel tecnológico de pequeñas
aeroturbinas en dos aspectos principales. En
primer término las pequeñas aeroturbinas que no
requieren frecuencia de red sincrónica, pueden
ser mantenidas con eficiencia óptima sobre un
amplio rango de velocidades. Esto se consigue
en forma simple mediante el sensado de la
velocidad de la aeroturbina y de la velocidad del
viento. En virtud del elevado costo para el
sensado de la velocidad del viento, este
parámetro se obtiene indirectamente midiendo la
corriente y tensión generada [2].
Como segundo punto el PLC tiene la función
adicional de proteger la maquina por sobre
corriente y sobré tensión que ocurre cuando
aparecen
vientos
extremos.
En
estas
circunstancias el programador realiza las
acciones de control con el fin cortocircuitar el
generador eléctrico que en estas condiciones
funciona como un freno disipando la energía en
forma de calor.
2.4 Sobrecargas eólicas
Los vientos de la región patagónica tienen
características agresivas debido a la turbulencia
generada por la topografía y las características
arrachadas del viento. En aerogeneradores de
pequeña potencia donde la torre no supera los
diez metros la elevada turbulencia espacial y
temporal del viento afecta al comportamiento del
aerogenerador. Este fenómeno también afecta a
aerogeneradores de 750 Kw. en los cuales puede
mencionarse la rotura de los dientes de los
engranajes
que constituyen el sistema de
orientación.
2.5 Vibraciones en la estructura:
Debido a las particularidades del viento sobre la
estructura del aerogenerador aparecen vientos
ascendentes, vientos laterales y una distribución
de vientos verticales con perfil irregulares, esto
sumado a la turbulencia espacial y temporal del
viento, con las perturbaciones que generan las
riendas y el “hub” generan vibraciones
torsionales y flexionales en la estructura
independiente del balanceo estático y dinámico
de las palas del aerogenerador. La elevada
potencia y empujes cíclicos generados por las
turbinas resultan también en elevadas cargas de
fatiga en diferentes componentes estructurales
tales como las torres, sujetadores, discos,
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riendas, veleta, etc. Se debe verificar que en todo
el rango de funcionamiento no se generen
condiciones de resonancia.
2.6 Emisión de ruidos
Las predicciones y mediciones de ruido para
pequeñas aeroturbinas es otra área en la que se
han realizado muy pocas investigaciones.
La decisión de construir aeroturbinas pequeñas
que funcionan a elevada velocidad de rotación
implica la generación de ruidos molestos (de alta
frecuencia y elevada amplitud) por lo que hay
que intentar con gran énfasis la minimización
del ruido ambiental, a pesar de que estas
aeroturbinas se utilizan en el ámbito rural donde
no existen restricciones en el nivel de ruido
Las fuentes de sonidos están típicamente
asociadas con la geometría del extremo de la pala
y algunas veces con la forma del perfil. En
ciertas condiciones de funcionamiento con
vientos extremos que superan la potencia
admisible por el generador se generan
desprendimiento o “stall” en un gran porcentaje
de la pala con la aparición de burbujas que
constituyen evidencias significativas del
desprendimiento laminar interactuando con el
borde de salida elevando el nivel de ruidos. La
ocurrencia de este ruido es más importante en
pequeñas turbinas.
3. REFINAMIENTOS REALIZADOS:
3.1 Proceso de arranque
3.2 Peculiaridades de las palas
3.3 Sistema de control. Calentamiento del
generador eléctrico.
3.4 Sobrecargas eólicas
3.5 Vibraciones en la estructura
3.6 Emisión de ruidos
3.1 Proceso de arranque
En una primera etapa se utilizaron imanes
permanentes convencionales en el diseño del
generador eléctrico. De acuerdo a lo manifestado
el torque de arranque es proporcional al cubo del
radio, como el radio es de 0,8 metros el momento
de arranque era bajo por lo que no se
manifestaban problemas significativos en el
arranque. En una etapa posterior se diseñaron los
campos del generador con imanes del tipo de
neodimio con el objetivo de aumentar las
prestaciones del mismo. En esta nueva
configuración de la maquina se apreciaba un
significativo aumento en el torque friccional el
cual fue medido experimentalmente mediante
técnicas sencillas [7]. Esta magnitud medida fue
el ingrediente que condujo a un refinamiento
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teórico en el diseño de la pala disminuyendo el
peso de las mismas manteniendo la rigidez
estructural, esto permitió favorecer el proceso de
arranque. Esta tarea analítica fue ardua debido a
la disyuntiva existente entre la disminución del
peso y su resistencia mecánica.
Con imanes permanentes la velocidad de
arranque era aproximadamente un 20% menor
que la obtenida con un generador con imanes del
tipo de neodimio
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que se amplificó la resistencia de flap de las
palas y la resistencia a la fatiga (figura 1).
3.2 Peculiaridades de las palas
El diseño del rotor implica la elección entre
otros de los siguientes parámetros: numero de
palas, tipo de perfil, distribuciones de cuerdas,
distribución del ángulo de torsión y elección de
los materiales. La justificación de cada una de
estas elecciones incluye consideraciones
conflictivas que deben ser consideradas en orden
de prioridad. Por ejemplo perfiles delgados son
deseables debido a su elevada relación
sustentación resistencia y su tolerancia a la
rugosidad, por otro lado los perfiles gruesos
sacrifican algunas de estas cualidades para
conseguir elevadas resistencia de flap de la pala .
Las tendencias en el diseño de palas de baja
potencia implican disminución de la solidez de
la pala, disminución del espesor del perfil,
aumento del máximo coeficiente de sustentación
y aumento de la velocidad periférica.
Se analizaron los límites que gobiernan estas
tendencias en orden de obtener un diseño con
mínimo costo de energía en desmedro del
parámetro producción de energía anual máxima
[3].
Debido a los grandes problemas de fabricación
se optó por no utilizar concavidades en la
superficie interior de la pala (intradós), este
criterio es muy común para muchas secciones de
perfiles de elevada prestación. Se realizaron
enormes esfuerzos tecnológicos para mantener
tolerancias dimensionales debido a que cada pala
debe ser fabricada por método manuales (este
problema se complica cuando el valor de la
cuerda en el extremo es solo de unos pocos
centímetros como es el caso del aerogenerador
de 0,8 Kwatt).
En función de los fundamentos mencionados se
decidió que la fabricación de las palas se realice
con plásticos reforzados con fibra de vidrio
laminadas en frio con para obtener el perfil
NACA 4415. Se realizo un trabajo teórico
consistente en modificar la composición y
distribución de telas en el proceso de laminado
para mejorar las propiedades mecánicas, con lo
Figura 1. Rotura por fatiga de la torre.
3.3 Sistema de control
Las experiencias de campo demostraron que en
fuertes temporales de vientos los bobinados
sufrían un sobrecalentamiento importante, esta
fue la razón por la que en este periodo surgieron
problemas con el programa de control. Los
parámetros utilizados en el control como los
tiempos de frenado y los límites admisibles de
corriente fueron inferidos analíticamente,
reajustados y probados. Cada dificultad analizada
tiene su consecuencia. En ciertas ocasiones se
detecto que el bobinado se calentó hasta un nivel
inadmisible y esta situación disminuyo el poder
del sistema de control, quedando sin acciones de
frenado. En este escenario el equipo giro en
vacío a altas R.P.M. provocando que la fuerza
centrífuga sea de una magnitud tal que los
bulones que unen las palas al “hub” colapsaran
por efecto de corte.
Además se comprobó que los imanes de
neodimio del rotor pierden magnetismo cuando
superan 100 o 120 ºC con lo que el generador
pierde eficiencia.
Se realizaron cálculos teóricos bajo diferentes
hipótesis de control y se obtuvieron varias
soluciones [5] . La solución que se eligió fue
aquella en la cual se modificaba el largo y
resistencia de las palas y con estos parámetros se
reajustaron los índices de control, La dificultad
de esta propuesta obviamente era la reducción de
la potencia máxima generada (se redujo el área
efectiva barrida por las palas). Pero se consiguió
disminuir la energía requerida para el frenado a
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expensas de un mayor retardo en el proceso de
arranque (figura 2). Con esta solución se
consiguió disminuir la energía requerida por el
frenado a expensas de un mayor retardo en el
proceso de arranque.
Figura 2. Sobrecarga eléctrica en el generador
3.4 Sobrecargas eólicas
Se utilizo el criterio analítico de máxima ráfaga
de 50 años para el diseño del aerogenerador de
800 Watts. Para que el aerogenerador funcione
satisfactoriamente se diseñó un adecuado sistema
y programa de control automático que registra la
presencia de vientos, y que también detecte
rachas o ráfagas de viento donde la corriente de
generación puede elevarse bruscamente por
elevada velocidad de giro del aeromotor, y
realice las acciones de regulación (frenado) [4].
Figura 3. Rotura de una de las palas
3.5 Vibraciones en la estructura
Aconteció también en las primeras etapas de
desarrollo que la baja solidez de la pala en
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presencia de ráfagas de viento extremas ocasionó
la flexión en las palas en una magnitud tal que
estas impactaron sobre la torre, por lo tanto se
requirió redimensionar la pala (figura 3).
Fue necesario también realizar un diseño
adecuado del aerogenerador de manera que el
mismo soporte los esfuerzos provocados por el
viento. Esto implica tener en cuenta la aparición
del problema de fatiga por las características del
viento en la región y la topografía, como se da
para los esfuerzos que intervienen en las palas.
Además puede aparecer el problema de
vibraciones ocasionadas por un equipo mal
balanceado,
tanto
estáticamente
como
dinámicamente, o bien darse por alguna rotura de
pala. De esta manera, el problema de vibraciones
tiene como consecuencia nuevamente la
aparición de la fatiga en la estructura. Las
consecuencias son oscilaciones en la estructura,
aflojamiento de tuercas y tensores que sujetan la
torre, cargas variables que disminuyen la vida en
rodamientos, rotura de bulones, y rotura de
soporte de veleta [8] .
Por ejemplo en un principio se buscó reducir y
distribuir el peso del aeromotor para que el
centro de masa se encuentre lo más cerca posible
del eje simétrico de la torre. Se optó entonces por
utilizad piezas de aluminio (plato porta aspas y
soporte de aleta), pero no se consideró el
comportamiento del aluminio a la fatiga lo que
ocasiono diversas fallas.
3.6 Emisión de ruidos
Los ruidos del rotor y las condiciones de estética
justificaron la elección del rotor de tres palas.
Esta configuración tiene ventajas relativas con
respecto al ruido comparado con rotores de dos o
una pala. El rotor de tres palas posee ruidos
impulsivos de menor magnitud en cualquiera de
las configuraciones de barlovento o sotavento y
sus correspondientes sombras de torre [6] .
Además para una intensidad de ruido fijada por
las revoluciones del rotor, el sonido de tres
golpes por vuelta es menos molesto que el de
dos por vuelta.
Las elevadas velocidades tangenciales conducen
a un incremento en el nivel de ruido, el cual es
proporcional a la quinta potencia de la velocidad
tangencial. La mayoría de las personas
encuentra al rotor de tres palas como mas
placentero estéticamente y se evita el efecto
“flicker” consistente en movimientos rápidos y
pequeños de un rotor con pocas palas. Otra
consideración que favorece al rotor de tres palas
es que este es balanceado dinámicamente debido
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a su construcción. La dinámica mas benigna del
rotor de tres palas conduce a costos de
mantenimiento y operación mas bajos.
Preocupados por el ruido ambiental se realizó
una investigación analítica, los resultados fueron
que redondeando los bordes agudos de las
esquinas con un contorno suave conducen a una
excelente perfomance. Pero el diseño de extremo
de la pala “tipo vaina de espada” predice
disminución del ruido pero exista una reducción
en la perfomance debido a las perdidas en el
extremo de pala que fueron evaluadas
analíticamente por la corrección de Prandlt. No
obstante falta la verificación experimental en
campo.
4. CONCLUSIONES
En la Patagonia existen requerimientos
energéticos de baja potencia en zonas aisladas, a
nivel provincial se esta desarrollando el
PERMER. Tecnólogos de la empresa CER
Patagonia S.R.L. y de la UNPSJB trabajan en
conjunto para desarrollar tecnología.
Se realizaron refinamientos para optimizar el
proceso de arranque en el aerogenerador de 800
Watts.
Se realizó un estudio analítico basado en la
modificación y composición de las telas usadas
en el laminado para mejorar el límite de fatiga y
la resistencia mecánica y estos parámetros fueron
verificados en el campo.
Se optimizó el método manual analizando
diferentes estrategias para poder obtener
repetitividad confiable en las palas para
disminuir las vibraciones y sus consecuencias.
Se utilizó el criterio del mínimo coste de la
energía para optimizar la geometría de la pala
Se “refinó” el sistema de control mediante un
estudio
analítico
que
fue
verificado
experimentalmente
Se elevó el limite de fatiga y la resistencia de las
palas con lo que se redujeron las roturas.
Se diseño y se modificaron los extremos de la
pala para reducir el ruido ambiental, no obstante
faltó la verificación en campo.
Se rediseño la junta de la raíz de la pala en su
unión con el “hub” para obtener mayor
confiabilidad [9]
5. TRABAJOS A FUTURO
Modificación en la construcción de la pala
integrándole un fleje del largo de pala para
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colocar entre las 2 mitades para aumentarle la
rigidez con un material anisótropo.
Diseño y construcción de una maquina de fatiga
por el método de resonancia para evaluar el
límite de fatiga.
Construir los moldes de la pala en los moldes en
aluminio para obtener elevada calidad y
eficiencia utilizando el control numérico.
Utilizar el método de las diferencias finitas para
optimizar las capas y la cantidad de fibra dentro
de la pala para crear suficiente resistencia y
mantener una pala de bajo peso.
Diseñar, construir y evaluar las prestaciones
utilizando otros perfiles para la pala.
Analizar y optimizar el programa de control para
obtener la máxima eficiencia del generador y la
energía obtenida por el aeromotor.
6. REFERENCIAS
[1]
Paul
Gipe
“Wind
power
for
Home&Business”, Ed Independent. Living
Book, 1990
[2] Ray Hunter and George Elliot, “Wind Diesel
Systems”, Ed. Cambridge University Press,
1994
[3] David Spera , "Wind Turbine Technology",
Ed. ASME, 1994
[4] Serie Ponencias CIEMAT "Principios de
Conversión de la Energía Eólica”, Ed.
Miner. 2000.
[5] Sinclair, K.; Bowen, A. (2008). Testing
Small Wind Turbines at the National
Renewable Energy Laboratory: Preprint. 10
pp.; NREL Report No. CP-500-43452.
[6] Migliore, P. (2009). Potential for Reducing
Blade-Tip Acoustic Emissions for Small
Wind Turbines: June 1, 2007 - July 31,
2008. 44 pp.; NREL Report No. SR-50043472.
[7] Small Wind Electric Systems: An Oregon
Consumer's Guide. (2007). 27 pp.; NREL
Report No. BR-500-41996; DOE/GO102007-2463.
[8] Sinclair, K. (2007). How to Build a Small
Wind Energy Business: Lessons from
California; Preprint. 10 pp.; NREL Report
No. CP-500-41504.
[9] Corbus, D.; Hansen, A. C.; Minnema, J.
(2006). Effect of Blade Torsion on
Modeling Results for the Small Wind
Research Turbine (SWRT): Preprint. 12
pp.; NREL Report No. CP-500-39000.