Aerogenerador de eje vertical - UV

1 UNIVERSIDAD DE CHILEFACULTAD DE CIENCIAS F ISICAS Y MATEM ATICASDEPARTAMENTO DE INGENIER IA EL ECTRICADise no y Construcci on de unPrototipo de Generador E olico de Crist obal Antezana Nu nezCOMISI ON EXAMINADORACALIFICACIONESNOTA(n ) (Letras) FIRMAPROFESOR GU IASR. Rodrigo Palma Behnke: ..PROFESOR CO-GU IASR. Jorge Romo: ..PROFESOR INTEGRANTESR. Alfredo Mu noz: ..NOTA FINAL EXAMEN DE T ITULO : ..MEMORIA PARA OPTAR AL T ITULO DEINGENIERO CIVIL ELECTRICISTASANTIAGO DE CHILES eptiembre 2004 RESUMEN DE LA MEMORIAPARA OPTAR AL T ITULO DEINGENIERO CIVIL ELECTRICISTAPOR: JUAN CRIST OBAL ANTEZANA NU NEZFECHA; 21 de octubre de 2004 PROF. GU IA: Sr. RODRIGO PALMA BEHNKE Dise no y construcci on de un prototipo de generador e olico de eje vertical El presente trabajo consiste en el dise no e implementaci on de un prototipo de aerogeneradorde eje vertical para abastecer de energ a el ectrica a peque nos consumos en zonas aisladas dela red.

2 Esta iniciativa surge con el prop osito de aprovechar el recurso e olico, pr actica pocohabitual considerando el potencial energ etico que posee Chile y las innumerables posibilidadesde aplicaci on. En particular, el prototipo busca proporcionar energ a a sectores aislados enlas carreteras con el prop osito de, entre otros, iluminar sectores peligrosos, energizar sistemasde comunicaci on de emergencia y monitoreo, proporcionar energ a a se nal etica y el factor econ omico como principal barrera a la explotaci on de la energ ae olica en Chile, se opta por seguir una l nea de trabajo tendiente a resolver este aspecto. Seconsidera como principal responsable del elevado costo de los aerogeneradores, la complejidadestructural y la tecnolog a involucrada en su dise no e implementaci de las familias de aerogeneradores, la de eje vertical presenta las estructurasm as simples.

3 La operaci on de los aerogeneradores de eje vertical se basa en la diferenciade coeficientes de arrastre entre las dos secciones expuestas al viento. Para encontrar unbuen compromiso entre eficiencia en la conversi on energ etica y costos, se opta por modificarla aerodin amica de estos aerogeneradores. Esto significa incrementar levemente el costo (au-mentando la complejidad estructural) pero logrando un mejor desempe no en la captaci onde la energ a e olica. Se busca crear un rotor con una geometr a variable orientada en formaaut onoma mediante alerones, permitiendo maximizar el arrastre en una secci on y minimizarloen la otra. Como resultado se propone un nuevo dise no de Aerogenerador de eje lograr un correcto suministro el ectrico a trav es de un banco de bater as, se imple-menta un sistema de control basado en un microcontrolador capaz de manejar un elevadorde voltaje para transferir al banco de bater as las energ as generadas que no cumplen con elrequerimiento de voltaje m prototipo desarrollado es probado en un t unel de viento y comparado con un productocomercial.

4 La eficiencia del prototipo propuesto alcanza un 12 %, valor levemente superior a locontemplado para este tipo de Aerogenerador (10 %). Los resultados demuestran el potencialde desarrollo pr actico de este tipo de costo de los materiales involucrados es de aproximadamente de 100000 pesos no in-cluyendo la mano de obra ni el costo del principales dificultades se presentan en la eficiencia energ etica de los distintos ele-mentos constituyentes implementados, tales como la caja amplificadora, el alternador y lasoluci on estructural exigida por el t unel de respuesta al problema, se sugiere el dise no de un generador de imanes permanentesde m ultiples polos que tenga una velocidad de operaci on nominal acorde con la velocidadrotacional del Aerogenerador . Esto permitir a redimensionar la caja amplificadora e inclusive,pensar en eliminarla del dise la mirada al pasado y deteni endome en las etapas importantes de mi vida, seme hace dif cil imaginar que ser a de mi sin el apoyo incondicional e incuestionable de mimadre y mi padre.

5 Gracias a ellos he llegado hasta este punto y mi deseo m as grande es quese sientan satisfechos con mi educaci on y en la persona que me he el apoyo y la confianza de mi profesor gu a Rodrigo Palma sin el cual no habr apodido desarrollar mi primera incursi on a las energ as a Carola por su gran apoyo. Sin ella, probablemente no tendr a hoy en d a unamemoria escrita en espa a Vladimir por haberme ayudado a implementar el prototipo y habermeense nado a manejar las m aquinas del a mis amigos de siempre y por siempre: Daniel y Pablo, por la ayuda funda-mental, omnipresente e incondicional. Agradezco a Pipe, un nuevo amigo, que siempre meha apoyado en mi un placer conocer acad emicos excelentes tales como Jorge Romo y Alfredo Mu nozpor la amable disponibilidad y mi ha sido una experiencia incre ble ver lo que los estudiantes pueden lograr traba-jando en equipo.

6 Un equipo espont aneo que naci o en el cuarto piso de electrotecnolog as. Poresto mi deuda se extiende a todos aquellos que, de una forma u otra, me han ayudado en mimemoria. Entre ellos: Su Realeza, Cepech, Pato, Claudio, Jaime y se me ha olvidado alguien, entonces que me perdone y le agradezco a el tambi Indice general. Resumen1. Agradecimientos2. Indice general6. Indice de figuras9. Indice de tablas101. Introducci Motivaci on .. Alcance .. Objetivos .. Objetivos espec ficos y plan de trabajo .. Estructura del trabajo ..152. Sistemas e Consideraciones hist oricas sobre la explotaci on del viento .. Tratado de Kyoto .. Tendencia actual .. Consideraciones econ omicas .. Peque nos aerogeneradores .. Tipos de aerogeneradores de eje vertical comercializados .. Consideraciones t ecnicas.

7 Savonius .. Darrieus .. Darrieus tipo H o Giromill .. Prototipo Windside .. Sistemas de control de velocidad .. Sistemas de control aerodin amico .. Sistemas de control mec anico .. Sistemas de control el ectrico .. Tipos de generadores .. Sistemas DC .. D namos .. Alternador en continua .. Sistemas CA .. Generadores sincr onicos .. Generadores asincr onicos ..453. Modelos para el uso de la energ a e El viento y su energ a .. La ley de Betz y la m axima eficiencia de conversi on .. La distribuci on de Weibull .. La rugosidad .. Rendimiento de los aerogeneradores ..564. El El rotor .. Los alerones .. El alternador .. Rotor del alternador .. Control de corriente de campo .. La caja amplificadora de RPM .. Caracter sticas constructivas .. Sistema de control.

8 Variables de entrada .. Nivel de voltaje en la salida del alternador .. Nivel de voltaje en la salida del conversor .. Corriente de campo del alternador .. Corriente de salida o de carga .. RPM del Aerogenerador .. Variables de salida .. Nivel de voltaje para el manejo de la corriente de campo .. Ciclo de trabajo del transistor del conversor DC-DC .. Resistencia de desahogo del Aerogenerador .. Microcontrolador .. Electr onica y electr onica de potencia .. Sensor de velocidad .. Sensor de voltaje .. Sensor de corriente .. Push-Pull .. Interfases de protecci on .. Conversor DC-DC .. Conexi on en paralelo de m ultiples aerogeneradores .. Aplicaci on del Aerogenerador en las carreteras ..865. Pruebas y obtenci on de par Comportamiento mec anico del rotor .. Curva de los alternadores.

9 Alternador Delco-Remy .. Alternador del AIR-403 .. Curva de potencia con el alternador del AIR-403 .. Cp versus TSR del prototipo ..936. Comparaci on del prototipo y evaluaci on econ Comparaci on de eficiencias energ eticas con AIR-403 .. Comparaci on y evaluaci on econ omica..967. Sobre la mec anica .. Sobre el tema el ectrico .. Resultados conseguidos .. Trabajo futuro ..102. Bibliograf a104A. Pruebas del prototipo1055B. costo de los Estructura soportante .. Alerones .. Caja amplificadora ..110C. C odigo de programaci on111D. Planos de la caja amplificadora ..1186 Indice de Molino persa.. El primer Aerogenerador .. El primer Aerogenerador de corriente alterna.. E-112: el Aerogenerador m as grande del mundo.. Tendencia: Negro: EEUU, Azul: Europa, Rojo: Mundo .. Potencia instalada cada a no hasta 2003.

10 Potencia total instalada hasta 2003.. Rotor Savonius .. Detalle del rotor Savonius .. Darrieus de 5[m] de di ametro .. Eol e VAWT 4[MW] .. Giromill vista frontal .. Giromill vista superior .. Turbinas Windside .. Detalle turbina Windside .. Onda sinusoidal generada en cada enrollado del est ator.. Esquema general de un alternador.. Rotor del alternador del E-112.. Alternador conectado a red continua.. Generador de im an permanente conectado a una red continua.. Generador sincr onico conectado directamente a la red alterna.. Generador sincr onico con etapa de rectificaci on e inversi on.. Generador sincr onico de m ultiples polos con etapa de rectificaci on e inversi Generador asincr onico conectado directamente a la red alterna mediante ciclo-conversor.. Generador asincr onico conectado directamente a la red alterna doblementealimentado.