PRE-INDUSTRIALIZACIÓN DE UN SISTEMA DE GENERACIÓN EÓLICO URBANO DE EJE VERTICAL. DISEÑO DEL GENERADOR. ESTUDIO DE IMPLANTANTACIÓN. Autor: Roa Prieto, Miguel. Director: Davigny, Arnaud. Entidad colaboradora: Unéole. RESUMEN DEL PROYECTO Introducción En este proyecto se va a desarrollar el estudio de industrialización e implantación de una turbina eólica de eje vertical tipo Savonius para el medio urbano. Se tomará la estructura mecánica diseñada en proyectos anteriores y a partir de ella se realizaran las optimizaciones estructurales necesarias, el dimensionamiento del generador y diseño de la cadena de trasmisión. Además, se llevará a cabo un estudio de las condiciones más favorables para su implantación en el medio urbano elegido y del proceso de industrialización. En el contexto de la denominada Tercera Revolución Industrial, basada en el desarrollo de las nuevas tecnologías respetando los recursos naturales, es decir, de manera sostenible; la startup francesa Unéole ha querido impulsar este movimiento de forma innovadora. Actualmente, los aerogeneradores de eje vertical son poco usuales, menos aún son los tipo Savonius frente a los Darrieus. Por otra parte, la estructura simple y robusta ofrecida por el tipo Savonius permite diseñar un aerogenerador de bajo coste y sencillo proceso de fabricación e implantación, por lo que es una buena opción para obtener un sistema de generación eléctrico adaptado al medio urbano. Metodología El proyecto está dividido en tres partes bien diferenciadas según los conocimientos técnicos requeridos y funciones desempeñadas por el sistema de generación eólico completo: regulación y explotación de la energía, diseño del perfil y estructura; y estudio de implantación. En primer lugar, la regulación y explotación de la energía eléctrica producida se refiere concretamente a la cadena de transmisión de la energía eléctrica, comprendiendo varias etapas. Estas etapas se extienden desde la generación de una corriente alterna a partir de la rotación del eje de la turbina hasta la conexión a la red eléctrica para el suministro eléctrico. Las tareas desempeñadas en este proyecto en lo que se refiere a esta primera etapa son: -
El diseño de un generador eléctrico: Existen dos tipos de generadores de corriente alterna caracterizados por la velocidad de rotación de sus campos magnéticos, asíncronos y síncronos. En este proyecto, el generador diseñado se trata de un generador síncrono de imanes permanentes y flujo radial, con nueve pares de polos e imanes de neodimio.
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Selección de los aparatos necesarios para el correcto y eficiente conexionado, almacenamiento y transmisión de energía eléctrica. Principalmente, un rectificador de onda con sistema MPPT integrado, un inversor, un convertidor DC/DC tipo Boost, un regulador de carga para las baterías y dichas baterías.
En segundo lugar se encuentra el diseño del perfil de la turbina y de la estructura de soporte y sujeción. En lo que se refiere a las turbinas de tipo Savonius existen numerosas posibilidades de diseño. Se pueden clasificar según el número de palas, generalmente dos o tres; y según la forma de dichas palas, helicoidal o circunferencia. En el presente proyecto se ha elegido una turbina bipala y de forma helicoidal. La razón principal es que en las turbinas de tipo Savonius “clásicas” el par motor varía sinusoidalmente a causa de la superficie de agarre del viento. Al girar las palas 180 ° entre la base y la parte superior del aerogenerador, se tendrá siempre la misma superficie de agarre al viento sin tener en cuenta la dirección del mismo. Por tanto, este permite un par continuo y aumentar el rendimiento global de la turbina. En cuanto a la estructura que rodea la turbina, se divide en dos partes: el cuerpo inferior y el cuerpo superior. El primero se refiere a la caja en la que se encuentra el generador ligado al eje de la turbina y sobre la que se apoya esta misma por medio de un sistema de rodamientos. Mientras que el segundo consiste en la sujeción de la parte superior de la turbina y la unión fija al suelo de cuatro vigas perpendiculares. Ha sido necesario realizar ciertas optimizaciones de la estructura elegida por pequeños defectos que presentaba. Finalmente, se ha llevado a cabo un estudio de viento de las zonas más favorables para la posible implantación en el entorno deseado. Además, se ha diseñado también una estructura base hecha de hormigón, madera y material elástico para el porte del sistema completo. Resultados Los resultados obtenidos en el trascurso del proyecto han sido satisfactorios como se muestra a continuación, se presenta respetando las etapas descritas anteriormente. En cuanto al dimensionamiento del generador eléctrico, se han obtenido los resultados de todos los parámetros necesarios para la fabricación del mismo mediante un fichero Excel dinámico. En este fichero se pueden obtener todos los parámetros finales en función introduciendo los valores nominales deseados de potencia, velocidad de rotación y tensión. En la siguiente tabla se muestran los más relevantes.
Valor Pn N Un In Σpérdidas η nimanes Dsext Dr
Unidades W rpm V A W
1500 350 48 15,70 246,78 0,84 36 19,06 mm 79,1 mm
Definición Potencia nominal Velocidad nominal Tensión nominal Corriente nominal Pérdidas totales Rendimiento Número de imanes Diámetro exterior del estator Diámetro del rotor
Por otra parte, el estudio estructural y de implantación ha dado como resultado una turbina eólica tipo Savonius de forma helicoidal. El cuerpo de la turbina está compuesto de dos palas, cada una formada por ocho bloques superpuestos, de cara a simplificar la fabricación y el montaje. El material del que está compuesta es de fibra de lino. La altura de la turbina es de 2m y alcanza los 2,5m situándose sobre el soporte donde se sitúa el generador. Además, la estructura base está compuesta por ocho bloques de hormigón apoyados sobre un material elástico que amortigua las vibraciones del viento. Dichos bloques se unen con vigas de madera para conseguir una mayor seguridad de posición conjunta. En la siguiente figura se puede apreciar el sistema completo.
Por último, se han hallado con precisión las posiciones con mayor potencial de viento en el entorno determinado por la empresa. Un estudio de viento, tras una simulación en 3D de las proximidades al edificio, ha permitido vislumbrar con claridad estas zonas más favorables que se muestran a continuación:
Todos estos resultados han permitido obtener una clasificación de las operaciones ordenadas por categorías, relevancia y secuencia de montaje para la industrialización de la turbina eólica. Conclusiones Al término de este proyecto, se ha obtenido un sistema de generación eléctrico completo, con un diseño preciso y adaptado a las necesidades del medio urbano. Además, incluye los pasos que se han de seguir para la posterior industrialización tras la construcción del prototipo. El resultado final y conclusión de este proyecto es el avance hacia un desarrollo más sostenible en términos de generación eléctrica.
PRE-PROCESSING OF A WIND POWER GENERATION SYSTEM OF VERTICAL AXE. GENERATOR DESIGN. IMPLANTATION STUDY. Introduction This project will developed in the research of the industrialization and implementation of a Savonius wind turbine with vertical axis for the urban environment. The mechanical structure designed in previous projects will be taken and from it the necessary structural optimizations, the generator sizing and design of the chain of transmission will be done. In addition, a study will be made for the most favorable conditions and for its implementation in the selected urban and also the industrialization process. In the context of the so-called “Third Industrial Revolution”, based on the development of new technologies respecting the natural resources, the french startup Unéole has wanted to promote this initiative in an innovative way. Currently, vertic axis wind turbines are unusual, even less are the Savonius against the Darrieus type. The simple and robust structure offered by this first wind turbine allows the design of a low cost and simple manufacturing process and implementation so it is a good choice for the electric generation system to the urban environment. Methodology The project is divided into three different parts according to the technical knowledge required and the functions performed by the entire wind generation system: regulation and energy exploitation, profile design and structure and the study and implementation. Firstly, regulation and exploitation of the electricity produced refers specifically to the chain of transmission of electric power, including several stages. These stages extend from the generation of an alternating current from the rotation of the turbine shaft to the connection to the mains for power supply. The tasks done in this project related to its first stage are: The design of an electrical generator: There are two types of AC generators characterized by the rotational speed of their magnetic fields, asynchronous and synchronous. In this project, the generator designed is a permanent magnet synchronous generator of radial flow, with nine pairs of poles and neodymium magnets.
The selection of the necessary devices for an efficient storage and for the transmission of electricity. Mainly a wave rectifier with integrated MPPT system, an inverter, a DC/DC converter Boost, a charge regulator for batteries and those batteries type. Secondly the profile design of the turbine and structure to hold and support. As it refers to the Savonius type turbines there are many design possibilities. They can be classified according to the number of blades, usually two or three; and according to the blades, helical or circumference. This project has designed a two-blade and helical turbine with helical shape. The main reason is that in the "classical" Savonius turbines, the motor changes sinusoidally due to the wind gripping surface. By rotating the blades 180 degrees between the base and the top of the wind turbine it will always have the same gripping surface to the wind without considering its direction. Therefore, this enables a continuous torque and the overall increase of the turbine performance. As to the structure that surrounds the turbine, it is divided into two parts: the lower body and upper body. The first one relates to the box in which is the linked axis to the turbine and on which it is supported by a bearing system generator. While the second consists in holding the turbine top and fixes it to the floor attachment that has four perpendicular beams. It has been necessary to make some optimizations of the chosen structure for a few mistakes that it had. Finally, a study of the wind has been done to choose the most favorable areas of wind for a possible implantation in the desired environment areas. Furthermore, also a designed has been made for a base structure made of concrete, wood and elastic material for bearing the entire system. Results The results obtained in the course of the project were satisfactory as shown below, it occurs respecting the stages described above. Regarding the dimensioning of the electric generator, the results were obtained for all parameters required for the manufacture thereof by a dynamic Excel file. This file can be obtained all final parameters according introducing the desired setpoints power, rotation speed and tension. The following table shows the most relevant ones.
Value Pn N Un In Σlosses η nmagnets Ds Dr
Units W rpm V A W
1500 350 48 15,70 246,78 0,84 36 19,06 mm 79,1 mm
Definition Power Speed Voltage Current Total Losses Performance Number of magnets Stator diameter Rotor diameter
On the other hand, the structural study and implantation has resulted a Savonius wind turbine. The turbine body is composed of two blades, each one consists of eight overlapping blocks, to simplify manufacture and assembly.The material it is made of flax fiber is.The height of the turbine is 2m and reaches 2.5m standing on the support where the generator is placed. Furthermore, the base structure is composed of eight concrete blocks resting on an elastic material which damps vibrations of the wind. These blocks are joined with wooden beams for greater security joint position. The following figure shows the complete system.
Finally, we have found the positions with the greatest wind potential determined by the company. A study of wind after a 3D simulation near the building, has allowed us to see the glimpses clearly more favorable areas shown below:
All these results have yielded a classification of operations ordered by category, relevance and assembly sequence for the industrialization of the wind turbine.
Conclusions At the end of this project, it has obtained a complete electrical generation system precise and tailored to the needs of urban design. It also includes the steps to be followed for the subsequent industrialization after the construction of the prototype. The final result and conclusion of this project is moving towards a more sustainable development in terms of electricity generation.
