DISEÑO INDUSTRIAL APLICADO A LA MODELIZACIÓN DE GENERADORES EÓLICOS

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1 DISEÑO INDUSTRIAL APLICADO A LA MODELIZACIÓN DE GENERADORES EÓLICOS Víctor Aperribay, Iñaki Martín, José Javier San Martín, David Romero, José Ignacio San Martín, José Mª Arrieta, Tomás Jiménez Departamento de Expresión Gráfica y Proyectos de Ingeniería EUITI de Eibar. Universidad del País Vasco. España eppapmav@sc.ehu.es RESUMEN Para realizar cualquier proyecto donde se aprovechen los recursos eólicos locales de una manera eficiente, son muy diversos los factores a tener en cuenta, como el tipo de instalación, la orografía, la potencia del viento, etc. El tipo de aerogenerador, el área de barrido de las palas, la altura y las necesidades estructurales son algunas de las opciones por las cuales un diseñador se tendrá que decidir. Así pues, son múltiples las configuraciones posibles, unas más eficientes que otras. El objeto de esta ponencia es presentar las tendencias en el diseño de los nuevos aerogeneradores, optimizando la generación de energía eléctrica mediante la eliminación de componentes mecánicos. Palabras-clave: Generadores eólicos, Diseño Industrial, Modelización. ABSTRACT In order to make any project where the local aeolian resources take advantage of an efficient way, they are very diverse the factors to consider, like the type of installation, orography, the power of the wind, etc. The type of aerogenerador, the structural area of sweeping of the shovels, height and necessities, are some of the options by which a designer will have itself to decide. Therefore, the possible configurations are multiple, some more efficient than others. The object of this communication is to present the tendencies in the design of the new aerogeneradores, optimizing the generation of electrical energy by means of the elimination of mechanical components. Key words: Wind Power, Industrial Design, Modeling.

2 1. Introducción La demanda energética de la sociedad actual es cada vez mayor. Por desgracia, muchas de las fuentes energéticas utilizadas son contaminantes. La energía nuclear (accidentes nucleares, generación de residuos radiactivos, emisión al medio ambiente de elementos radiactivos) tiene un enorme coste socioeconómico. Por otro lado, los combustibles fósiles son excelentes fuentes de energía, pero están limitados. Además presentan otro grave inconveniente como es el carbono. Cuando un producto derivado del petróleo se quema los gases carbónicos y otros agentes contaminadores se emiten al medioambiente. Esta es una de las principales causas del smog en las ciudades y daña la salud de las personas y los animales y el ambiente en general. Es evidente que los recursos de la energía que elegimos tienen un impacto notable en nuestra vida. Con los modelos actuales, principalmente con el uso de los combustibles fósiles y nucleares, vemos algunas de las consecuencias de nuestras decisiones con respecto al tipo de energía usado: Aire contaminado Lluvia ácida Calentamiento global Cambio climático Enfermedades La alternativa que se plantea es producir energía eléctrica a partir de fuentes renovables no contaminantes (en el presente trabajo se destaca la utilización de la energía eólica). Será entonces cuando podremos limitar la emisión de gases carbónicos y elementos radioactivos al medioambiente. La comunicación que se presenta trata de exponer los diseños de los nuevos generadores eólicos, que sirvan para aprovechar una fuente energética inagotable y limpia, como es el viento, optimizando la generación de energía eléctrica mediante la eliminación de componentes mecánicos. El tipo de aerogenerador, el área de barrido de las palas, la altura y las necesidades estructurales son algunas de las opciones por las cuales un diseñador se tendrá que decidir. Todo ello tiene que ser estudiado, paso a paso, para poder optimizar el diseño de los aerogeneradores y minimizar los costes de generación de manera que se escoja la mejor opción, tanto económica como técnicamente. El presente trabajo expone la utilización de las actuales herramientas CAD 3D para el Diseño Industrial, concretamente el diseño de aerogeneradores que sirva de base para ver y visualizar las alternativas antes referidas con la posibilidad de enseñar al cliente el producto final, y a su vez, para obtener los planos de producción. Estos diseños 3D obtenidos por las herramientas CAD, pueden ser el origen de nuevas aplicaciones multimedia para explicar tanto el funcionamiento del aerogenerador mediante animaciones como presentar un explosionado para visualizar sus componentes.

3 2. Situación presente En la actualidad, la mayor parte de los diseños existentes han sido superados, especialmente en lo que respecta al aprovechamiento eléctrico, por los actuales aerogeneradores tripalas modernos. Las razones de esta decisión hacia ese modelo se basan en experiencias acumuladas tras años de investigación. Hoy en día, las máquinas de 600 y 750 kw continúan siendo habituales en la industria, aunque el mercado de los megawatios despegó ya hace años. Casi todos los aerogeneradores existentes tienen un sistema de transmisión que incluye una caja multiplicadora para poder utilizar generadores convencionales. Las grandes fluctuaciones de par a las que esta sometido el rotor, debido a las ráfagas de viento, se transmiten integras a la caja multiplicadora que por tanto ha de estar sobredimensionada, provocando a veces que llegue a pesar el doble que el aerogenerador. Por tanto, las cajas multiplicadoras aumentan el precio de la góndola y de la torre por su gran peso. Además sus bajas eficiencias, sobre todo a carga parcial, disminuyen el rendimiento del conjunto del aerogenerador. A todo esto se tiene que añadir por otra parte desventajas por desgaste, mantenimiento y ruido. Por otro lado, existe la tendencia de implantar aerogeneradores de mayor tamaño para aprovechar los recursos eólicos de una manera más eficiente, lo que lleva consigo menores velocidades de giro de la turbina y, por lo tanto, relaciones de transmisión más desfavorables. La tendencia hacia aerogeneradores de mayor tamaño lleva consigo menores velocidades de giro de la turbina y, por lo tanto, relaciones de transmisión más desfavorables. Para eliminar todos estos problemas se utilizan generadores síncronos que están acoplados directamente a la turbina, es decir, los llamados multipolares sin caja multiplicadora, disminuyendo el número de revoluciones a costa de aumentar el número de pares de polos. Todo ello se traduce en una mayor eficiencia eléctrica con relación a los generadores convencionales. La energía eléctrica generada tiene dos vías principales de utilización: inyectarla directamente en la red eléctrica o almacenarla, en forma de hidrógeno mediante electrolisis, a presión o licuado. 3. Opción desarrollada La opción de diseño que aquí se propone es utilizar generadores síncronos acoplados directamente a la turbina, es decir, los llamados multipolares sin caja multiplicadora, disminuyendo el número de revoluciones a costa de aumentar el número de pares de polos. Todo ello se traduce en una mayor eficiencia eléctrica con relación a los generadores convencionales. De hecho, el 30% de los fallos en la mayor parte de las turbinas eólicas instaladas se produce en el multiplicador. Los generadores síncronos permiten entrehierros grandes pero su conexión directa a la red trae muchos problemas por las fuertes cargas dinámicas a que se ve sometido el sistema y las grandes fluctuaciones en la potencia de salida.

4 El desacoplo de la frecuencia del generador y de la red es posible utilizando convertidores electrónicos entre la maquina sincronía y la red. Los posibles picos de potencia debido a las ráfagas se compensan con un incremento de la velocidad del generador, que implica una disminución de los esfuerzos mecánicos sobre el tren de potencia y que consigue una transmisión de potencia más homogénea. 4. Desarrollo del estudio El estudio realizado contempla los siguientes apartados (figura 1): Introducción. Funcionamiento y componentes. Potencial eólico. Tendencias actuales. 4.1 Introducción Figura 1: Estructura del estudio. En este apartado se mencionan los tipos de vientos existentes (figura 2) según la escala a la que nos refiramos (global, local, etc.), las diferentes clasificaciones que se pueden hacer de las turbinas eólicas, según ciertos criterios como son el tipo de eje, velocidad, etc. y de los distintos tipos de instalaciones de las cuales se puede optar ya sea en red o aislada (figura 3). Figura 2: Tipos de viento. Figura 3: Tipos de turbina. 4.2 Funcionamiento y componentes Existe una gran variedad en cuanto al tipo de turbinas empleadas para aprovechar la energía del viento y transformarla en energía eléctrica. La tecnología actual de aerogeneradores ha evolucionado hacia máquinas de eje horizontal, de tres palas orientadas a barlovento y con torre tubular.

5 Por otra parte cada aerogenerador se diseña en función de unas necesidades de potencia y eficiencia del aprovechamiento de la energía eólica Funcionamiento En este apartado se intenta dar una visión general de las partes que habitualmente constituyen un aerogenerador (figura 4), teniendo presente que en cualquier momento se puede prescindir de alguna de ellas. Figura 4: Componentes del aerogenerador. En esta sección también se puede ver la animación de un aerogenerador con caja multiplicadora en movimiento. La animación tiene una doble finalidad tratando, por una parte, explicar cómo trabaja el conjunto de componentes y por otro lado, mostrar de forma visual el funcionamiento de cada uno de ellos. Las figuras 5-12 muestran diferentes detalles de un aerogenerador. Figura 5: Imagen inicial. Figura 6: Vista de la góndola.

6 Figura 7: Detalle de la góndola. Figura 8: Mecanismo interno de la góndola. Figura 9: Vista posterior. Figura 10: Vista lateral. Figura 11: Vista anterior. Figura 12: Vista frontal Componentes Figura 13: Componentes del aerogenerador.

7 A lo largo de este estudio se pueden visualizar los principales componentes (figura 13) de forma detallada. La visualización se lleva a cabo a lo largo de una pequeña animación en la cual el componente elegido resaltará sobre los demás, pudiendo verlo posteriormente de forma aislada y con todo detalle debido a que las piezas están realizadas en 3D (figuras 14-21). Figura 14: Imagen virtual del generador. Figura 15: Generador. Figura 16: Caja multiplicadora. Figura 17: Buje. Figura 18: Control de paso de pala. Figura 19: Sistema Yaw. Figura 20: Anemómetro y veleta. Figura 21: Cimentación.

8 4.3 Potencial eólico Son muchos conceptos los que hay que tener claros a la hora de llegar a comprender, cómo y cuánta energía es capaz absorber un aerogenerador de la energía que posee el viento. Es por eso por el cual, se ha creado este apartado, para poder llegar a entender que existen variables, limitaciones físicas a las cuales un diseñador se tiene que atener a la hora de implementar un aerogenerador en una ubicación determinada. En el citado apartado se han considerado los puntos siguientes: Cp: El coeficiente de potencia indica con que eficiencia el aerogenerador convierte la energía del viento en electricidad. Curva de Potencia: La curva de potencia de un aerogenenerador indica la potencia eléctrica obtenida por cada velocidad del viento. Weibull: La distribución Weibull es la probabilidad que hay a lo largo de un año en un sitio determinado, de que un viento sople a una velocidad u otra. Densidad de Potencia: Es la distribución de energía eólica a distintas velocidades del viento. Ley de Betz: Es la ley que establece el máximo de potencia que puede absorber un aerogenerador ideal del viento para convertirla en energía mecánica útil. Potencia del viento: Es la potencia que posee el viento, de la cual el aerogenerador absorberá una parte. En esta sección (figura 22) se detalla cuánta energía es capaz extraer del viento un aerogenerador y los parámetros de los que depende: área del rotor, velocidad del viento y la densidad del aire. Figura 22: Potencia del viento.

9 4.4 Tendencias actuales La eficiencia energética se esta convirtiendo en el caballo de batalla del siglo XXI. Obtener energía a partir de fuentes renovables es una meta a la cual estamos obligados a llegar si queremos preservar la salud de nuestro planeta. Este es el objetivo, pero para ello hay que avanzar paso a paso procurando conseguir energía de manera más eficiente, produciendo más y mejor. En nuestro caso se ha procurado entrever las nuevas tendencias tecnológicas al respecto. I+D: Investigación y desarrollo. Parques marinos: La energía marina es una aplicación de la energía eólica con un futuro enormemente prometedor. Megaturbinas: Las máquinas de gran potencia explotan mejor los recursos eólicos. Multipolar: Los generadores síncronos directamente acoplados a la turbina es una de las opciones más prometedoras en el futuro de la industria eólica (figuras 23-26). Figura 23: Vista general. Figura 24: Sistema Yaw. Figura 25: Detalle del estator. Figura 26: Detalle del rotor multipolar. 5. Conclusiones El protocolo de Kyoto lucha contra el cambio climático mediante una reducción de los gases de efecto invernadero a escala mundial. Una alternativa es la utilización de energías limpias. Una de las principales críticas a las energías renovables es su carácter discontinuo. Pero esta crítica perderá todo su valor en el momento en el que se desarrolle la tecnología adecuada, porque permitirá almacenar energía cuando resulte conveniente.

10 El uso de las energías renovables para nuestras necesidades eléctricas habituales presenta múltiples ventajas, entre las que cabe destacar el evitar el consumo de recursos naturales y la degradación del ambiente. En este trabajo se analizan las tendencias de futuro para la obtención de energía eléctrica mediante la utilización de generadores eólicos multipolares, de alta eficiencia, sin caja multiplicadora, reduciendo pérdidas por transmisión y ruido. Por otra parte ahorraremos hasta 250 litros al año en lubricantes y la baja velocidad de sus palas (20 rpm) reduce el peligro de colisión de las aves. El presente trabajo expone la utilización de las actuales herramientas CAD 3D para el Diseño Industrial, concretamente el diseño de aerogeneradores que sirva de base para ver y visualizar las alternativas elegidas, con la posibilidad de enseñar al cliente el producto final, y a su vez, para obtener los planos de producción. El tipo de recurso energético que elegimos tiene impacto notable en nuestras vidas. Con los modelos actuales, principalmente con el uso de los combustibles fósiles, vemos algunas de las consecuencias de nuestras decisiones con respecto al tipo de energía usado: aire contaminado urbano, lluvia ácida, cambio climático, etc. De nuestras decisiones sobre la energía usada dependen la calidad del aire, del agua, del suelo, y finalmente, la salud del planeta, así como la nuestra y el de las generaciones futuras. Todos tenemos la misma ambición: tener un ambiente sano y seguro, porque lo que el uso de energías renovables nos ayudará a obtener un mundo más limpio y a mejorar nuestra calidad de la vida. Referencias [1] RODRÍGUEZ AMENEDO, José Luis, BURGOS DÍAZ, Juan Carlos. Sistemas eólicos de producción de energía eléctrica. Ed. Rueda S.L., Madrid, [2] MACDONALD, Andrew, BERRY Michael. Reseach Notes, Clean Energy for the Future, Berlin, [3] CARLOS, Sergio. Energías renovables: Solar Eólica, Ed. Díaz de Santos, Madrid, 2003.