Alumnos: CÁCERES, Esteban Adrián DASSO, Gastón PEREZ, Manuel Nicolás. Tutores: Ing. CARRICA, Daniel Ing. FERREYRA, Ruben

Alumnos: CÁCERES, Esteban Adrián DASSO, Gastón PEREZ, Manuel Nicolás Tutores: Ing. CARRICA, Daniel Ing. FERREYRA, Ruben Evaluadores: Ing. DIMENNA, Claudio Ing. DI MAURO, Rubén Ing. PRADO, Pedro 1

Formato del trabajo Parte I: Determinación de parámetros generales Parte II: Diseño de las aspas Parte III: Diseño y desarrollo del sistema de control 2

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Objetivo Seleccionar el tipo de aerogenerador y sus parámetros básicos: Tipo Tamaño Cantidad de palas Orientación Potencia nominal del generador eléctrico Velocidad del viento de diseño Acumuladores 4

Modelos de Aerogeneradores 5

Modelos de Aerogeneradores 6

Modelos de Aerogeneradores 7

Vientos en Mar del Plata Circulación General: Radiación Solar Rotación de la Tierra 8

Vientos en Mar del Plata Circulación Regional: Brisas de Mar 9

Datos del Viento Datos Suministrados por el GEEAA: Archivo en formato de texto (.txt ). Intervalo de 5[min] entre mediciones. 99000 mediciones. Año 2000. Altura de medición: 24[m]. 10

Vientos en Mar del Plata 11

Ley Exponencial de Hellmann v 10 = v h 10 h α Lugares llanos con hielo o hierba 0,08< α<0,12 Lugares llanos (mar, costa) α =0,14 Terrenos poco accidentados 0,13< α<0,16 Zonas turísticas α =0,2 Terrenos accidentados o bosques Terrenos muy accidentados y ciudades 0,2< α<0,26 0,25< α<0,4 12

Distribución de Weibull f v = k c v c k 1 e v c k k = 1,9096 (Factor de forma) c = 3,8311 (Factor de escala) 13

Distribución de Energía Velocidad de diseño: 6[m/s] 14

Rosa de los Vientos 15

Rosa de Energía Sistema de Orientación de 360 16

Potencia Disponible del Viento N viento = de dt = 1 dmv 2 0 2 dt = 1 ρavdtv 2 2 dt N viento = 1 2 ρav3 17

Potencia Aprovechable del Viento N aprovechable viento = 1 2 ρav3 η η generador = 0,9 η sist.elect. = 0,9 η hélice = 0, 49 η = 0, 396 18

Consumo Datos aprobados por OCEBA E diaria = 4700 [ Wh día] Datos EDEA E diario EDEA = 4795 Wh día 19

Área del Rotor Eólico A aspa = 12,566[m 2 ] E diaria = 5340 [ Wh día] P= 1 2 ρav3 20

Comparación E aprox s/baterias 4015 = 4015[Wh/día] Wh % abastecimiento = E consumo = 4700 4700 Wh [ Wh 100 día] = 85,4% 21

Comparación E aprobechable c/baterías = 5340[Wh/día] E consumo = 4700 [ Wh día] 22

Análisis Mensual 23

Análisis Mensual Enero: 4700 Wh día 4695 Wh día 30 días = 150 Wh Febrero: 4700 Wh día 3401 Wh día 30 días = 38970 Wh Marzo: 4700 Wh día 4129 Wh día 30 días = 17130 Wh Abril: 4700 Wh día 1789 Wh día 30 días = 87330 Wh Mayo: 4700 Wh día 4688 Wh día 30 días = 360 Wh Junio: 4700 Wh día 184710 3341 Wh Wh N baterías = día= 237 30 Baterías días = 40770 Wh 12 V 65 Ah E faltante = 184710 Wh Julio: 4700 Wh día 7945 Wh día 30 días = 97350 Wh Agosto: 4700 Wh día 5157 Wh día 30 días = 13710 Wh Septiembre: 4700 Wh día 8014 Wh día 30 días = 99420 Wh Octubre: 4700 Wh día 5885 Wh día 30 días = 35550 Wh Noviembre: 4700 Wh día 7185 Wh día 30 días = 74550 Wh Diciembre: 4700 Wh día 7040 Wh día 30 días = 70200 Wh E faltante = 390780 Wh 24

Análisis Mensual Aspa =2[m] 2,5[m] Enero: E aprobechable = 7334Wh % abast = 156% Febrero: E aprobechable = 5312Wh % abast = 113% Marzo: E aprobechable = 6449Wh % abast = 137% Abril: E aprobechable = 2794Wh % abast = 59% Mayo: E aprobechable = 7323Wh % abast = 156% Junio: E aprobechable = 5219Wh % abast = 111% Julio: E aprobechable = 12410Wh % abast = 264% Agosto: E aprobechable = 8055Wh % abast = 171% Septiembre: E aprobechable = 12518Wh % abast = 266% Octubre: E aprobechable = 9192Wh % abast = 196% Noviembre: E aprobechable = 11223Wh % aprob = 239% Diciembre: E aprobechable = 10996Wh % aprob = 234% 25

Análisis Mensual Conclusiones Aspa de 2[m] de radio Acumuladores sólo para distribuir la energía del día 26

Generador Eléctrico N 14m/s = 8124,68 W N 12m/s = 5116,41[W] N 10m/s = 2960,88[W] N 8m/s = 1515,97[W] N 6m/s = 639,55[W] 27

Generador Eléctrico N 14m/s = 8124,68 W N 12m/s = 5116, 41[W] N 10m/s = 2960,88[W] N 8m/s = 1515,97[W] N 6m/s = 639,55[W] 28

Generador Eléctrico N 14m/s = 8124,68 W N 12m/s = 5116,41[W] N 10m/s = 2960,88[W] N 8m/s = 1515, 97[W] N 6m/s = 639,55[W] 29

Generador Eléctrico N 8m/s = 1515, 97[W] 5170[Wh/día] E consumo 4700 [ Wh día] 30

Conclusión Velocidad de diseño: 6[m/s] Velocidad del viento máxima anual: 15,6[m/s] Velocidad del viento promedio anual: 4,2[m/s] Tipo de aerogenerador: Horizontal-Tripala Diámetro del rotor: 4[m] Altura de instalación: 10[m] Potencia nominal del generador: 1,5[KW] Sistema de baterías para almacenar la energía producida en el día Sistema de orientación de 360 31

32

Objetivo Diseño de las palas de un aerogenerador de baja potencia: Seleccionar perfiles aerodinámicos aptos. Perfilado de la pala para obtener máxima potencia, utilizando la Teoría Combinada. Verificación de la resistencia estructural, siguiendo la norma IEC 61400-2. 33

Principio de funcionamiento Fuerzas aerodinámicas: F S Sustentación F R Arrastre 34

El perfil aerodinámico Su geometría permite crear las fuerzas de sustentación y trabajar con bajas pérdidas. 35

El perfil aerodinámico F S = 1 2 C laρv 2 F R = 1 2 C daρv 2 Re = ρcv μ El número de Reynolds relaciona la densidad, viscosidad, velocidad y dimensión típica de un flujo en una expresión adimensional. 36

Selección de perfiles Perfiles Espesor máximo Máxima curva Fuente S822 S823 S8036 SD2030 SG6040 SG6041 SG6042 SG6043 SG6050 SG6051 NACA4412 MH106 FX63-137 E387 16% a 39.2% de la cuerda 21,2% a 24,3% de la cuerda 16% a 36,8% de la cuerda 8.6% a 35.5% de la cuerda 16% a 35.3% de la cuerda 10% a 34.9% de la cuerda 10% a 33.5% de la cuerda 10% a 32.1% de la cuerda 16% a 31.5% de la cuerda 12% a 35.7% de la cuerda 12% a 30% de la cuerda 13.1% a 27.4% de la cuerda 13,7% a 30,9% de la cuerda 9.1% a 31.1% de la cuerda 1.8% a 59.5% de la cuerda 2,4% a 70,5% de la cuerda 1,3% a 40,4% de la cuerda 2.2% a 45.3% de la cuerda 2.3% a 60.5% de la cuerda 1.6% a 49.7% de la cuerda 3.3% a 51.5% de la cuerda 5.1% a 53.3% de la cuerda 3.1% a 48.9% de la cuerda 3.1% a 49.9% de la cuerda 4% a 40% de la cuerda 0.9% a 27.4% de la cuerda 6% a 53,3% de la cuerda 3.2% a 44.8% de la cuerda The National Renewable Energy Laboratory. The National Renewable Energy Laboratory. University of Illinois at Urbana- Champaign. University of Illinois at Urbana- Champaign. The National Renewable Energy Laboratory. The National Renewable Energy Laboratory. The National Renewable Energy Laboratory. The National Renewable Energy Laboratory. The National Renewable Energy Laboratory. The National Renewable Energy Laboratory. Instituto Politécnico nacional University of Illinois at Urbana- Champaign. University of Illinois at Urbana- Champaign. University of Illinois at Urbana- Champaign. http://airfoiltools.com http://www.worldofkrauss.com 37

Límite de Betz Supuestos: Se debe cumplir: Disco actuador simulando máquina de espesor infinitesimal que genera un salto de presión. Salto de presión aprovechado en su totalidad. Entrada no influenciada. Punto 2 y 3 inmediatamente antes y después del disco. Punto 4 presión conocida e igual a la atmosférica. V 1 > V 4 P 1 = P 4 = P 0 A 2 = A 3 V 2 = V 3 Aplicando conservación de la masa η Betz = 16 27 = 0,5926 38

Modelo de Rankine- Froude Agrega el efecto de la ESTELA ROTACIONAL Flujo de aire axial V 2 = V 3 = V a V 4 = V c dt = 4πrρ V a a dr Flujo de aire rotacional w 3 r = 2b dq = 4ρπr 2 V a b dr 39

Eficiencia Comparación Betz vs R-F 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 2 4 6 8 10 12 14 TSR 40

Modelo del elemento de pala dt = 1 2 ρzcv 0 2 C l cosφ 0 + C d senφ 0 dr dq = 1 2 ρzcv 0 2 r C l senφ 0 C d cosφ 0 dr 41

Modelo combinado Modelo de Rankine-Froude dt = 4πrρ V a a dr dq = 4ρπr 2 V a b dr Igualando los fuerzas de empuje dt: dt = dq = Modelo del elemento de pala 1 2 ρzcv 0 2 C l cosφ 0 + C d senφ 0 dr 1 2 ρzcv 0 2 r C l senφ 0 C d cosφ 0 dr c = 8πra Z V a sen 2 φ 0 C l cosφ 0 + C d senφ 0 c = f a, φ 0, V, perfil Igualando los diferenciales de torque dq: b = 8πrsen 2 φ 0 Zc C l senφ 0 C d cosφ 0 V + C lcosφ 0 + C d senφ 0 C l senφ 0 C d cosφ 0 b = f c, φ 0, V, perfil 42

Modelo combinado Relación geométrica: tgφ 0 = V a 2πrn + b Ecuaciones: b = c = 8πra Z V a sen 2 φ 0 C l cosφ 0 + C d senφ 0 V 8πrsen 2 φ 0 Zc C l senφ 0 C d cosφ 0 + C lcosφ 0 + C d senφ 0 C l senφ 0 C d cosφ 0 tgφ 0 = V a 2πrn + b 4 incógnitas (a, b, φ 0 y c) 3 ecuaciones Se plantea como 4º ecuación Máxima Potencia 43

Resolución del Sistema de Ecuaciones Como el sistema es transcendental, se resolvió mediante iteraciones utilizando la herramienta Solver de Microsoft Excel. 44

Proceso de diseño: Parámetros de los perfiles Perfil Cl/Cd máx Cl Cd Cl/Cd S822 7,00 0,9872 0,01440 68,6 S823 8,00 1,1454 0,01833 62,5 S8036 6,25 1,0134 0,01443 70,2 SD2030 4,25 0,7587 0,00982 77,3 SG6040 7,75 1,1312 0,01551 72,9 SG6041 4,00 0,7267 0,00998 72,8 SG6042 4,75 1,0008 0,01125 89,0 SG6043 5,50 1,2878 0,01314 98,0 SG6050 7,75 1,2192 0,01633 74,7 SG6051 6,50 1,0844 0,01319 82,2 NACA4412 7,00 1,2002 0,01536 78,1 MH106 8,25 0,9613 0,01565 61,4 FX63-137 5,75 1,4627 0,01598 91,5 E387 6,75 1,1126 0,01319 84,4 45

Proceso de diseño: selección de un perfil Perfil α[ ] Cl Cd Cl/Cd TSR P[W] Q[Nm] T[N] c(2,0)[m] c(0,2)[m] j(2,0)[ ] j(0,2)[ ] S822 7.00 0.9872 0.0144 68.6 4.48 851.03 63.29 421.88 0.18 0.48 8.53 43.41 S823 8.00 1.1454 0.0183 62.5 4.31 845.02 65.29 421.39 0.17 0.43 8.86 43.98 S8036 6.25 1.0134 0.0144 70.2 4.50 852.54 63.11 421.99 0.17 0.47 8.49 43.34 SD2030 4.25 0.7587 0.0098 77.3 4.69 858.32 60.98 422.46 0.21 0.61 8.15 42.70 SG6040 7.75 1.1312 0.0155 72.9 4.59 854.87 62.13 422.18 0.15 0.41 8.34 43.05 SG6041 4.00 0.7267 0.0100 72.8 4.59 854.77 62.12 422.18 0.23 0.65 8.34 43.05 SG6042 4.75 1.0008 0.0113 89 4.96 866.27 58.17 423.12 0.14 0.44 7.71 41.81 SG6043 5.50 1.2878 0.0131 98 5.17 871.34 56.15 423.55 0.10 0.33 7.40 41.14 SG6050 7.75 1.2192 0.0163 74.7 4.63 856.29 61.67 422.30 0.14 0.38 8.26 42.91 SG6051 6.50 1.0844 0.0132 82.2 4.82 861.91 59.64 422.76 0.14 0.42 7.94 42.29 NACA4412 7.00 1.2002 0.0154 78.1 4.71 858.98 60.76 422.52 0.13 0.38 8.12 42.63 MH106 8.25 0.9613 0.0157 61.4 4.29 843.86 65.51 421.30 0.20 0.51 8.91 44.06 FX63-137 5.75 1.4627 0.0160 91.5 5.15 867.75 56.14 423.31 0.09 0.30 7.43 41.21 E387 6.75 1.1126 0.0132 84.4 4.86 863.35 59.23 422.88 0.14 0.41 7.87 42.15 46

Proceso de diseño: perfilado del aspa Ahora se realiza un perfilado teniendo el TSR óptimo del paso anterior n parámetro fijo Q = 56,14 Nm T = 423,31[N] P = 867,75 W η = 53,73% 47

Proceso de diseño: estructura 48

Proceso de diseño: estructura 49

Proceso de diseño: selección del material MATERIAL DENSIDAD (g/cm 3 ) RESISTENCIA A LA TRACCIÓN (Kg/mm 2 ) MÓDULO (10x3 Kg/mm 2 ) Fibra de carbono / Epoxi 1,5 180 12 Fibra de boro / Epoxi 2,0 180 24 Kevlar / Epoxi 1,45 90 7 Fibra de vidrio / Epoxi 1,9 180 3,5 Aleación Aluminio de elevada resistencia Aleación Titanio de elevada resistencia 2,8 55 7,2 4,5 100 11 50

Proceso de diseño: estructura Peso: m B = 10,84[Kg] Distancia del eje al centro de masas: R Cog = 0,8[m] Momento de inercia I YY : I B = 9,7 Kgm 3 Área proyectada A proj,b = 0,382 m 2 Distancia entre el plano del rotor y el primer cojinete del eje: L rt = 0,3[m] 51

Verificación estructural: IEC 61400-2:2006 52

Verificación estructural: Casos de carga Tipo de carga A Operación normal B Orientación C Error de orientación Carga F ZB = 4140,06[N] M XB = 226,28[Nm] M YB = 289,12[Nm] M YB = 1032,51[Nm] M YB = 281,4[Nm] D Empuje máximo ----------------------------------------------------- E Velocidad rotacional máxima w n,max = F ZB m B R Cog = 660[rad s] F Cortocircuito en la conexión de carga M xb = 112,28[Nm] G Parada (frenado) ----------------------------------------------------- H Carga del viento con aerogenerador parqueado I Carga del viento con aerogenerador parqueado, exposición máxima J Transporte, montaje, mantenimiento y reparación M YB = 626[Nm] M YB = 667,73[Nm] ------------------------------------------------------ 53

Verificación estructural: Coeficientes de seguridad C s = γ m γ f γ m : es el factor de seguridad parcial para los materiales. Ruptura: C sr = 9 γ f : es el factor de seguridad parcial para las cargas. Fatiga: C sf = 10 54

Verificación estructural: simulaciones-carga A σ máx = 32, 9x10 6 N m 2 < σ adm = 180x10 6 N m 2 55

Verificación estructural: simulaciones-carga B σ máx = 111, 1x10 6 N m 2 < σ adm = 200x10 6 N m 2 56

Verificación estructural: simulaciones-carga F σ máx = 8, 3x10 6 N m 2 < σ adm = 200x10 6 N m 2 57

Conclusión Proceso automatizado de diseño de aspas Diseño del rotor: o Material: Fibra de vidrio o Rendimiento: 53% o Verifica Norma IEC 61400-2:2006 58

59

Objetivo Selección de un generador eléctrico. Diseño y desarrollo de un sistema de control para la automatización del aerogenerador: - Arranque y parada - Carga de baterías - Protecciones - Búsqueda de máxima potencia: MPPT 60

Curva de potencia TSR óptimo TSR óptimo: λ opt = v t v v = cte v v 61

Curva de potencia Puntos de máxima potencia λ opt = v t v v = cte v v Potencia útil máxima: P útil máx = 1 2 ρav v 3 Cp máx Resultando: P útil máx = k N 3 Cp máx 62

Sistema de regulación utilizado Aerogenerador de velocidad variable Velocidad de rotación variable Frecuencia variable de la tensión de salida Regulación pasiva de las pérdidas aerodinámicas Aspa fija sin regulación del paso Regulación del torque resistente 63

Sistema de generación empleado Generador sincrónico y convertidor 64

Generador sincrónico empleado Se optó por un generador sincrónico de rotor bobinado Diferencias con un generador de imanes permanentes: Costo considerablemente menor Permite realizar el control electrónico sobre la excitación Se propone utilizar un alternador de auto Bajo costo Elevada disponibilidad Elevada durabilidad Eficiencia y velocidad de trabajo desconocidas Valeo modelo A14M 118M de 24[V] 60[A] - Rectificador con seis diodos de potencia - Un regulador en la excitación 65

Ensayos en el alternador Banco de Pruebas: 66

Ensayos en el alternador Conclusiones Generador no apto para generación eólica Saturación baja en la excitación Pérdidas estatóricas y rotóricas elevadas (mala regulación y bajo rendimiento) Funcionamiento a elevadas rpm. Generador que debería usarse: Alternador de elevada eficiencia y funcionamiento a bajas rpm. 67

Sistema de control 68

Arduino En función de las lecturas de los sensores genera: Arranque y parada del aerogenerador Control de carga de baterías Lograr extraer la máxima potencia del viento, bajo ciertos límites Controlar que no sean sobrepasados los límites de velocidad, corrientes y tensiones 69

Periféricos del Arduino LCD y sensores de corriente Interfaz Visual As Ab // Aex Compatibles con Arduino 70

Sensor de vueltas Sensor infrarrojo de respuesta rápida 71

Circuitos auxiliares Elevador/Reductor Fuentes reguladas 8V y 5V Sensor de tensión 72

Banco de pruebas Esquemático 73

Banco de pruebas Banco terminado 74

Banco de pruebas Elemento motor Rotor Eólico Motor Asincrónico Trifásico Ambos tienen un PUNTO DE MÁXIMA POTENCIA 75

Banco de pruebas Variación de velocidad del viento T RES = ω K IK E R L + R b R L R G + R b I ex 2 K IV b R G + R b I ex Rotor eólico Variación de velocidad del viento Motor asincrónico Variación de la frecuencia 76

Métodos de control Ensayos y métodos propuestos Primer paso: Realizar el Ensayo de Barrido Segundo paso: Tercer paso: Proponer y ensayar métodos de control MPPT: Método para Carga Fija (verificado) Método para Carga Variable (no verificado) Método Automático (verificado) Verificar el funcionamiento de los métodos de control comparando sus resultados con la información resultante del Ensayo de Barrido 77

Objetivos: Métodos de control Ensayo de Barrido Curvas de Potencia vs RPM y Torque vs RPM que se utilizarán para corroborar los métodos propuestos. Curva I exopt vs RPM que se utilizará en el Método para Carga Fija. Curva frecuencia del variador vs RPM que se planteará en el Método para Carga Variable. 78

Métodos de control Ensayo de Barrido - Programa 79

Métodos de control Ensayo de Barrido- Resultados 80

Métodos de control Ensayo de Barrido- Resultados 81

Métodos de control Ensayo de Barrido- Resultados 82

Métodos de control Ensayo de Barrido- Resultados 83

Inicio del programa (Configuración: de pines, de la comunicación, de la pantalla) Métodos de control Método para Carga Fija - Funcionamiento Mediciones (Velocidad de giro; Corrientes de excitación, de batería y de salida; Tensión de batería) Calcular Iex óptima en función de las RPM SI Medir Iex Iex calculada = Iex medida NO Modificar PWM 84

Métodos de control Método para Carga Fija - Resultados 85

Métodos de control Método para Carga Fija - Resultados 86

Métodos de control Método para Carga Variable - Funcionamiento Banco de prueba Generador eólico 87

Métodos de control Método para Carga Variable - Comprobación 88

Métodos de control Método Automático - Programa Inicio del programa (Configuración: de pines, de la comunicación, de la pantalla) Mediciones (Velocidad de giro; Corrientes de excitación, de batería y de salida; Tensión de batería) Calcular Potencia de salida SI Potencia actual > Potencia anterior NO Disminuir Iex NO Se había incrementado Iex Se había incrementado Iex NO Incrementar Iex SI SI Incrementar Iex Disminuir Iex Esperar a que el sistema se estabilice 89

Métodos de control Método Automático Optimizaciones del programa Velocidad de respuesta + Precisión 90

Métodos de control Método Automático Optimizaciones del programa Punto de máxima potencia Falsos puntos de máxima potencia 91

Métodos de control Método Automático Optimizaciones del programa + Velocidad de respuesta 92

Métodos de control Método Automático Resultados 93

Métodos de control Método Definitivo Parámetros del sistema Tensiones características de carga de la batería: - Tensión de absorción - Tensión de flote Corrientes características de la batería - Corriente máxima de carga - Corriente absorción Velocidad máxima del rotor Inicio del programa Iniciar? SI Proceso de Inicio Potencia Disponible? SI NO NO Velocidad de conexión del sistema Se superó un límite? SI Disminuir Iex Tiempo de espera tras la desconexión NO MPPT Corriente máxima del alternador 94

Carga de baterías Ciclo Ideal 95

Carga de baterías Ciclo Real 96

Conclusiones Se establecieron los criterios de selección de generador, acumuladores de energía y sistemas de control. Se han planteado tres métodos de obtención de máxima potencia, obteniendo resultados satisfactorios. Se implementó un sistema de control para automatizar el funcionamiento del aerogenerador, verificando su correcto funcionamiento. Trabajos a futuro: Diseño de un generador sincrónico apto. Diseño de un inversor para obtener una tensión alterna 97

Conclusiones Finales Se han tratado en profundidad los principales conceptos relacionados con el diseño de un aerogenerador. Se automatizaron diferentes partes del proceso de diseño Se desarrolló un sistema de control MPPT que funcionó correctamente. El tema de esta investigación es de utilidad pues: Se trata de una energía renovable Se trata de generación distribuida 98

Gracias!