DISEÑO DE UN GENERADOR CON EXCITACIÓN SUPERCONDUCTORA PARA AEROGENERACIÓN

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Juan Antonio Carrizo Gómez
hace 7 años
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1 Autor: DISEÑO DE UN GENERADOR CON EXCITACIÓN SUPERCONDUCTORA PARA AEROGENERACIÓN Autor: Director: Juan Antonio Talavera Coordinador: Tomás Gomez San-Román La cada vez más implantada energía eólica, está sufriendo, como toda tecnología emergente, un continuo proceso de mejora y avance. Esta evolución y desarrollo lleva al uso de economías de escala, en las que se tiende a hacer aerogeneradores cada vez más potentes con el fin de reducir costes fijos de componentes individuales, como mantenimiento, etc.. El presente proyecto pretende desarrollar un gran prototipo de 10 MW, el doble de potente que el más grande de los actuales. Se da el curioso y desfavorable hecho que al aumentar la potencia de un aerogenerador el par crece en mucha mayor proporción. Este desmesurado crecimiento del par viene debido principalmente a dos factores, el aumento de potencia y la disminución de velocidad angular del rotor, que se sinergian haciendo la construcción de una máquina de gran tamaño una proyecto difícil y caro. Según la expresión M = P / ω, el efecto de ambos factores se complementan, creciendo el par en demasía. La disminución de las revoluciones del rotor se mitiga a medida que crecen las potencias. A partir de los 10 MW este fenómeno se ve atenuado. Parece por ello razonable utilizar un generador de esta potencia para desarrollar el modelo.

2 Autor: El objetivo del proyecto es construir un generador de elevado par que permita la supresión de un elemento intermedio entre el generador y el rotor, la multiplicadora; elemento caro, pesado y que da problemas de fiabilidad. Este componente tiende ha hacerse aún más costoso a medida que la potencia aumenta. Éste es el punto de partida del presente proyecto. El aumento del precio de los componentes lleva a plantearse la utilización de otra tecnología que mejore las presentes, por ello se diseñará un prototipo de 10 MW utilizando un generador síncrono con excitación superconductora, una tecnología que lleva ya varios años desarrollándose pero que para aplicación en aerogeneración es totalmente novedosa. Se estudiará la viabilidad técnica y económica del prototipo una vez diseñado. Se elaborarán conclusiones en base a los resultados obtenidos. El desarrollo del proyecto se llevará a cabo en la memoria descriptiva, en la que se explicará la teoría de la superconducción y se hará un repaso por todas las tecnologías de generación superconductora, escogiéndose la más apropiada para la aplicación propuesta, realizándose posteriormente el diseño y cálculo de la máquina. Un segundo bloque son los planos. Están realizados de forma clara, pero sin rigurosidad técnica: tolerancias, etc. Ya que el objetivo de este proyecto no es la construcción de la maquina, sino definir un prototipo, dimensionarlo y valorarlo. Un tercera parte tratará del presupuesto, entendiéndolo como el dinero disponible para gastar en la construcción del prototipo siendo éste viable económicamente. El resultado del proyecto es tanto el completo desarrollo del prototipo como los sistemas auxiliares que requiere: refrigeración, anclaje mecánico, etc. A continuación se muestran varias vistas de la máquina:

Autor: Fig1: Corte transversal del generador acoplado al eje Fig2: Disposición, anclaje y refrigeración de una cabeza de polo Las conclusiones extraídas del prototipo realizado son descritas

3 Autor: Fig1: Corte transversal del generador acoplado al eje Fig2: Disposición, anclaje y refrigeración de una cabeza de polo Las conclusiones extraídas del prototipo realizado son descritas brevemente a continuación: - Económicamente el generador es viable, su precio no llegaría a los 1.8 mill, encontrándose por debajo del límite de los 2 mill que costaría una multiplicadora más un generador de tecnología convencional para esa potencia. - El generador tiene un rendimiento bajo, 92.5%, a pesar de no poseer pérdidas en el rotor. - Un aumento del tamaño de la máquina en un 30%, 12 m de Ø de rotor, reduciría las pérdidas a un 2-3%. El precio aumentaría un 30% no obstante.

4 Autor: SUPERCONDUCTING GENERATOR FOR WIND TURBINES Author: Director: Juan Antonio Talavera Co-ordinator: Tomás Gomez San-Román The most introduced wind energy, is suffering, like as all new technologies, a continuous improvement and advancement process. This evolution and development carries to a scale economy, in which powerful wind turbines are made to reduce fix costs, like as maintenance, etc. The present project pretends to develop a big prototype of 10 MW, double big than the biggest nowdays. It occurs than increasing power of a wind turbine, the torque grow in much more proportion. This huge torque growing is produced by two factors, the increasing of power and decreasing of the rotational speed, than makes the construction of a big machine a difficult and expensive project. According to the expression M = P / ω, the both factors effect is superposed, growing too much. The decreasing of rotational speed is mitigated as increasing bigger power. Up to 10 MW, this phenomenon is attenuated. It seems than use a generator of this power to develop this model is appropriated.

5 Autor: The project object is to construct a high torque generator that lets the suppression of an intermediate element between the generator and rotor, the gear box; an expensive, weight and problematic for its reliability. This part of a wind turbine has to be more expensive if power increasing. That is the start point of the present project. The increasing of price of different parts carries to think in the utilization of another technology to improve the actual ones, so the design of a prototype of 10 MW using a synchronous superconducting exciting generator is used, a technology new in aerogeneration. The studying of technical viability and economy of the generator will be made. After that, a conclusion will be done. The development of the study will realized in the descriptive memory, in which examine the theory of superconducting and see all technologies of superconducting generation, choosing the most suitable for the present application. The design and calculation will be made too. A second part is planes. It is realized clearly, but without rigorous treatment, so the objective of this project is not the construction of a machine, is to define a prototype, dimensioning that and see its price. The final part will be the budget to see how much money we have to make viable the project. The final result of the project is the completed development of the prototype and all auxiliary systems that involve: refrigeration, mechanic structure, etc. The next figures correspond with the machine:

6 Autor: Fig1: transversal section of the generator Fig2: Dispositión, and refrigeratión of a head pole The taken out conclusion of the realized prototype are shortly explained: - Economically, the generator is viable. Its price does not reach the 1.8 mill, being under the limit of 2 mill than whould cost a gear box plus a generator of conventional technology for this power. - The generator have a low performance, 92.5%, in spite of does not have loss in the rotor. - Increasing the large of the machine a 30%, to 12 m of Ø of rotor, it losses decreases to a 2-3%, but the price grow to 30%.

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