Autor: Bouzada Escudero, Jaime. RESUMEN DEL PROYECTO

Tamaño: px

Comenzar la demostración a partir de la página:

Download "Autor: Bouzada Escudero, Jaime. RESUMEN DEL PROYECTO"

Felisa Jiménez Carrasco
hace 5 años
Vistas:

1 DISEÑO DEL SISTEMA ELÉCTRICO CON GENERADOR SÍNCRONO DE 5 MW DE UNA TURBINA EÓLICA MARINA Autor: Bouzada Escudero, Jaime. Directores: Talavera Martín, Juan Antonio y González Otero, Francisco José. Entidad Colaboradora: ICAI Universidad Pontificia Comillas. RESUMEN DEL PROYECTO El objetivo de este proyecto es diseñar, calcular y estudiar la viabilidad económica del sistema eléctrico de un aerogenerador. Se ha previsto su integración en parques eólicos offshore. La principal ventaja del emplazamiento marino reside en el mejor aprovechamiento de la fuerza del viento por las condiciones en que éste se presenta en el mar. Este tipo de instalaciones tienen un futuro prometedor, debido al menor impacto visual que las situadas en tierra, además de unos niveles de contaminación nulos y el carácter inagotable del recurso que explotan: el viento. Contribuyen, por tanto, a conseguir un modelo energético sostenible. El sistema eléctrico está formado por los siguientes componentes: Generador, elemento principal encargado de transformar la energía mecánica en eléctrica. Sistema de rectificación, cuya función es que el generador se conecte a la red a la tensión y frecuencia a la que ésta se encuentra. Sistema de refrigeración, crea un flujo de aire extraído del exterior de la góndola que circula por el interior del estator y el rotor con el fin de reducir la temperatura de sus componentes. Protecciones, que nos garantizan el correcto comportamiento del generador ante condiciones de funcionamiento anormales. Las configuraciones más utilizadas en aerogeneración son el generador asíncrono doblemente alimentado y los generadores síncronos de rotor bobinado y de imanes permanentes. Tras realizar un estudio en profundidad de las mismas, se ha elegido el generador síncrono de imanes permanentes. Se trata sin duda de la tecnología más novedosa de todas, y objeto de estudio de las principales empresas del sector. Su

2 peculiaridad reside en la forma de generar el campo inductor en el rotor, donde la excitación se realiza mediante imanes permanentes de Nd-Fe-B. De esta manera se evitan los problemas que presenta un rotor accesible mediante escobillas o anillos rozantes. El resultado ha sido una máquina de mayor robustez y menor tamaño, con la consecuente reducción de peso que ello conlleva. Sus principales ventajas son el escaso mantenimiento requerido, la capacidad para generar a tensión y frecuencia constantes girando a velocidad variable y un gran control de la potencia reactiva. De entre las tres topologías existentes en función de cómo se cree el campo en el rotor (flujo radial, axial o transversal), se ha elegido la de flujo transversal. Se trata de la máquina más compleja en cuanto a diseño y construcción de las tres, así como la más diferente al concepto clásico de generador eléctrico. A pesar de la complejidad del modelado, la máquina presenta una serie de cualidades que la hacen especialmente interesante para una aplicación de aerogeneración de gran potencia. Constructivamente se configura como tres máquinas monofásicas acopladas a un mismo eje, dando lugar a una trifásica cuya principal característica es la disposición del rotor en la parte exterior. Para realizar el diseño del generador se han programando todos los cálculos en Matlab, lo cual ha permitido variar las características de la máquina hasta obtener el modelo óptimo. Posteriormente, se han realizado los planos con la herramienta de diseño en tres dimensiones CATIA, seleccionando todos los materiales necesarios par su construcción de distintos proveedores. Una vez elegidos los sistemas de rectificación, ventilación y protecciones adecuados, se han elaborado el presupuesto y estudio económico de viabilidad del proyecto. Los resultados más relevantes del diseño han sido los siguientes: Potencia 5 MW. Par ,8 N.m. Pares de polos 6 pares de polos Tensión 723,3 V. Corriente 921,2 A. Rendimiento 99,29 % Diámetro total mm. Longitud mm. Masa ,65 Kg.

3 Se ha previsto como criterio de seguridad una potencia de diseño de 6 MW, lo que permite un margen de sobrecarga permanente de un 20% con respecto a la potencia nominal. El sistema eléctrico está diseñado para un aerogenerador con multiplicadora, lo que reduce el número de pares de polos a 6, al trabajar a altas velocidades. El rendimiento obtenido es muy elevado, característica propia de este tipo de máquinas, ya que reducen las pérdidas en el cobre y en el hierro por estar el rotor compuesto por imanes permanentes. Constructivamente, se ha obtenido un generador de tamaño y masa inferior al de las otras configuraciones de potencia similar con las que compite. El presupuesto y el estudio económico realizados demuestran la viabilidad del proyecto, con un precio final del sistema eléctrico de El diseño realizado está basado en una tecnología innovadora, cuyo desarrollo e integración aportan múltiples mejoras a los sistemas actuales. Además, se puede concluir con que el proyecto ha arrojado unos resultados satisfactorios tanto funcional como económicamente. ELECTRICAL SYSTEM DESIGN WITH 5 MW SYNCHRONOUS GENERATOR FOR OFFSHORE WIND TURBINES The objective of this project is to design, calculate and study the economic feasibility of a wind turbine electrical system. Integration is planned in offshore wind farms. The main advantage of the marine site lies in the better use of wind power by the conditions under which it occurs at sea. This type of facility has a promising future due to less visual impact than those in land, plus zero pollution levels and the inexhaustible nature of the resource they exploit: the wind. They contribute, therefore, to achieve a sustainable energy model. The electrical system consists of the following components: Generador, the main element responsible for transforming the mechanical energy into electricity. Rectification system, whose function is that the generator is connected to the grid voltage and frequency at which it is located.

4 Cooling system, which creates an air flow drawn from outside the gondola that circulates inside the stator and rotor to reduce its componentes temperature. Protections, which guarantee the correct behavior of the generator to abnormal operating conditions. The configurations used in wind power are doubly fed induction generator and rotor winding and permanent magnets synchronous generator. After a thorough study of the them, we have chosen the permanent magnet synchronous generator. This is undoubtedly the most technologically innovative of all, and subject matter of major companies in the sector. Its uniqueness lies is the way of generating the inductor field in the rotor, where excitation is made by permanent magnets Nd-Fe-B. This will avoid the problems with a rotor accessible by brushes or slip rings. The result has been a more robust and small machine, with the consequent reduction in weight that it carries. The main advantages are the low maintenance required, the ability to generate constant voltage and frequency with variable speed rotation and a large reactive power control. Of the three existing topologies in terms of how to create the field in the rotor (radial, axial or transverse flux), it has been chosen the transverse flux. This is the most design and construction complex machine of the them, and the most different to the classical concept of electric generator. Despite the complexity of modeling, the machine has a large number of qualities that make it particularly interesting for application aerogeneración powerful. Constructively is configured as three-phase machines coupled to a single axis, leading to a phase whose main feature is the provision of the rotor on the outside. To make the design of the generator all calculations have been programmed in Matlab, which has varying characteristics of the machine to obtain the optimal model. Subsequently, plans were made with the three dimensions design tool CATIA, choosing all construction materials required from different suppliers. Once elected rectification system, ventilation and protections devices have been developed the budget and economic feasibility survey of project.

5 The key results of the design have been: Power 5 MW. Torque ,8 N.m. Poles 6 pair Voltage 723,3 V. Current 921,2 A. Output 99,29 % Overall diameter mm. Length mm. Weigth ,65 Kg. As a safety criteria it is planned to design with a power of 6 MW, allows a continuous overload margin of 20% compared to the nominal power. The electrical system is designed for a wind turbine with gear box, reducing the number of poles to 6, working at high speeds. The output is very high, characteristic of this type of machines, because of the copper and iron losses reduction as a consecuence of the rotor composition by permanent magnets. Constructively, we have obtained a smaller and lighter generator than other similar powerful types with which it competes. The budget and economic study demonstrate the feasibility of project, with a electrical system final price of 896,965. The design is based on an innovative technology whose development and integration bring many improvements to current systems. In addition, we can conclude that the project has aimed satisfactory functional and economical results.

Documentos relacionados

DISEÑO DE GENERADOR DE ELEVADO PAR CON EXCITACIÓN POR IMANES PERMANENTES PARA AEROGENERACIÓN

DISEÑO DE GENERADOR DE ELEVADO PAR CON EXCITACIÓN POR IMANES PERMANENTES PARA AEROGENERACIÓN Autor: Pérez Pichel, Germán David. Director: Talavera Martín, Juan Antonio. Entidad Colaboradora: ICAI Universidad