Diseño estructural y mecánico

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Magdalena Castellanos Venegas
hace 5 años
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Abordaje Tecnológico básico estructural y mecánico Control y Mecatrónica Prototipo, ensayos y certificación El control eficiente y seguro de los aerogeneradores requiere una íntima fusión de los

1 Abordaje Tecnológico básico estructural y mecánico Control y Mecatrónica Prototipo, ensayos y certificación El control eficiente y seguro de los aerogeneradores requiere una íntima fusión de los sistemas electrónicos de control y los sistemas funcionales mecánicos Control General Parada de emergencia RotPw r (kw) Yaw BrMzn (kn m) RotSpeed S p e e d Time

Abordaje Tecnológico básico estructural y mecánico Control y Mecatrónica Prototipo, ensayos y certificación Generador Síncrono UNIPOWER Cubo del Rotor Características: DDPMSG (direct drive, permanent

2 Abordaje Tecnológico básico estructural y mecánico Control y Mecatrónica Prototipo, ensayos y certificación Generador Síncrono UNIPOWER Cubo del Rotor Características: DDPMSG (direct drive, permanent magnet synchronous generator) Estator Interno Polos IP Externos UNIPOWER Generador directamente acoplado al rotor (sin caja multiplicadora ni eje de transmisión) Menores pérdidas y menor mantenimiento. Generador multipolar de gran diámetro de imanes permanentes Genera a baja frecuencia (y variable) necesita un conversor de frecuencia para acoplarse a la red.

3 Abordaje Tecnológico Cubo del Rotor básico estructural y mecánico Control y Mecatrónica Prototipo, ensayos y certificación Sistema de Conversión de Energía Eólica Estator Interno Polos IP Externos UNIPOWER

4 Abordaje Tecnológico básico estructural y mecánico Control y Mecatrónica Prototipo, ensayos y certificación Requerimientos Básicos de Control Modo de Velocidad de Velocidad del Objetivo Básico Operación Viento (v w ) Rotor (ω r ) de Control Acción de Control CARGA PARCIAL Baja a Media (cut-in rated) Variable (ω r < ω r_rated ) Maximizar captura de energía Seguimiento de máximo C p (β,λ) Control de Torque del Generator (con pitch óptimo, constante) Transición Media Constante Carga Parcial Plena Carga Ajuste de Torque (con pitch constante) PLENA CARGA Media a Alta (rated cut-out) Constante (ω r ω r_rated ) Limitar extracción de energía / velocidad de rotor a valores nominales de potencia de la turbina Regulación de ω r mediante pitch de palas (con torque nominal, constante)

5 Abordaje Tecnológico Modelo Simplificado: Parámetros y Variables básico estructural y mecánico Control y Mecatrónica Prototipo, ensayos y certificación Parámetros: ρ [kg/m 3 ]: densidad del aire A R [m 2 ]: área expuesta del rotor R b [m]: radio de la turbina J 2 rp [kg.m ]: inercia del rotor (palas + cubo + generador) v w ω r Acciones de Control: β[ ] : ángulo de pitch de palas T em [N.m]: torque del generador Perturbación: v w [m/s]: velocidad de viento (también es la fuerza impulsora ) Estado Controlado: ω r [rad/s]: velocidad del rotor ( n r [r/min]) Especificaciones IWP-70: P r rated = 1.7 MW n r rated = 19 rpm v w cut-out =25 m/s Parámetros IWP-70: ρ = kg/m 3 A R = 3.8x10 3 m 2 R b = 35 m; J rp = 4.3x10 6 kg.m 2

6 Abordaje Tecnológico Modelo Simplificado: Dinámica Dominante básico estructural y mecánico Control y Mecatrónica Prototipo, ensayos y certificación Rotor Accel. Torque dω J Aerodynami c Torque Generator 3 Torque 1 v } w =. ρ. AR.. Cp( β, λ) Tem = f( vw, ωr, β, T ) 2 ω r rp. em dt r Superficie del Coeficiente de Potencia C p (β,λ) y Curvas Características para los 3 Modos de Operación

7 Abordaje Tecnológico Análisis: Espacio de Puntos de Operación básico estructural y mecánico Control y Mecatrónica Prototipo, ensayos y certificación A) Características Operacionales teóricas o ideales en régimen cuasiestacionario (Espacio de Puntos de Operación deseados), para diferentes velocidades de viento medio (rango completo de velocidades de viento de operación).

8 básico estructural y mecánico Control y Mecatrónica Prototipo, ensayos y certificación Regulación de Velocidad por Pitch Simulación c/ Modelo p/ Perturbaciones: a) Mayor ancho de banda y sin realim. de aceleración b) Menor ancho de banda y realim. de aceleración Evolución temporal (Time History) a Plena Carga con Regulador de Velocidad por Pitch, para Viento Turbulento 21 m/s (NTM, Normal Turbulence Model).

9 básico Cargas final Modelos de elementos finitos y Análisis estructural Fabricación

10 básico Cargas Modelos de elementos finitos y Análisis estructural Fabricación IWP-UNIPOWER

11 Abordaje Tecnológico básico aerodinámico y estructural Prototipo, ensayos y certificación PALAS : DISPOSICIÓN DE TELAS, ESPUMAS, LÍNEAS DE PEGADO, ETC Fibras unidireccionales Fibras a +/- 45º Pegamento Espuma.

Abordaje Tecnológico básico estructural y mecánico Prototipo, ensayos y certificación

Espumas de relleno. Pegamentos. Gelcoat. Otros.

de las propiedades del compuesto Estáticos: tracción, compresión, torsión,etc.

12 Abordaje Tecnológico básico estructural y mecánico Prototipo, ensayos y certificación Fabricación Materiales a emplear Resina. Fibras unidireccionales. Fibras +/- 45º. Espumas de relleno. Pegamentos. Gelcoat. Otros. CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES PARA LA FABRICACIÓN DE PALAS Ensayos para la determinación de las propiedades del compuesto Estáticos: tracción, compresión, torsión,etc. Dinámicos: fatiga a distintos niveles de tensión, distintos laminados. De compatibilidad entre los distintos materiales: pegado, compuesto/relleno, etc.

13 Compuestos Refuerzos Los refuerzos permiten direccionar las propiedades del material hacia donde son necesarias. Esta ventaja permite estructuras más eficientes y controlar los modos naturales de las palas.

Matriz La matriz cumple varias funciones. proteger a los refuerzos de las acciones externas. mantener los refuerzos unidos. soportar las cargas de fatiga.

14 Matriz La matriz cumple varias funciones. proteger a los refuerzos de las acciones externas. mantener los refuerzos unidos. soportar las cargas de fatiga. transmitir los esfuerzos entre hilos. Compuestos Fatigue of Composite Materials and Substructures for Wind Turbine Blades, SAND

15 Materiales de relleno Espuma DIAB group web page Madera balsa

16 Disposición de telas Corte de telas a medida: Simpleza en el diseño. Necesidad de plantillas de corte grandes. Excesiva mano de obra para corte o costo de maquinaria elevado. Uso de cintas : Complejidad en el diseño. Rollos de ancho constante. Simpleza en los cortes de tela.

Configuraciones típicas Elementos que dan forma aerodinámica: pieles extrados e intrados. Elementos que resisten la flexión: telas centrales www.

17 Configuraciones típicas Elementos que dan forma aerodinámica: pieles extrados e intrados. Elementos que resisten la flexión: telas centrales Blade manufacturing improvements - development of the ERS100 blade SAND Elementos que mantienen la forma: vigas centrales y vigas de corte.

18 Uniones típicas Comportamiento mecánico de las juntas tipo T-bolt en materiales compuestos gruesos, tesis doctoral, D. Víctor Martinez Moll

19 Laminación manual Características: Bajo volumen de trabajo. Método simple, de bajo costo. Requiere operadores hábiles para obtener repetibilidad del proceso y productos de calidad aceptable. Proceso: Aplicación de gel-coat. Colocación de primer capa de refuerzos. Vertido de resina. Compresión de resina con rodillos. Colocación de próxima capa de refuerzos. Repetición hasta terminar.

20 Infusión por saco de vacío Características: Grandes volúmenes de trabajo. Costos moderados, requiere moldes sin fugas. Mínima dependencia de habilidad del operario. Mayor contenido de vidrio, menor peso. Impregnación de telas total. Proceso: Colocación de refuerzos. Colocación de medio de infusión. Colocación de sistema de infusión. Colocación de film de vacío. Sellado del film y aplicación del vacío. Control del vacío. Inyección de resina.

21 Modelos

22 Moldes

23 Infusión de palas

24 Fabricación de Modelo Fabricación de Molde

25 Fabricación de palas Fábrica Wind Mendoza Argentina

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