DESARROLLO DE UN AEROGENERADOR SUPERCONDUCTOR PARA BAJAS VELOCIDADES DE VIENTO Wilber Martín Ramos Pérez 1 y Adrián González Parada 2 Resumen: El estudio eléctrico de un aerogenerador superconductor para bajas velocidades de viento, se puede desglosar en dos etapas: diseño eléctrico y construcción. Para desarrollar el diseño eléctrico del aerogenerador, es necesario comprender ciertos conceptos de estos; la parte eléctrica principal del aerogenerador es el rotor y el estator el cual es el generador de una FEM y por el otro lado los materiales necesarios para su construcción tomando en cuenta las condiciones de operación de las máquinas eléctricas superconductoras. En el presente trabajo, se mencionan los componentes principales de una maquina eléctricas y los materiales necesarios para la construcción de prototipos que nos sirvan como referencia para poder innovar en un futuro en otros aerogeneradores superconductores. Palabras claves: aerogenerador/generador eléctrico /superconductor/ bajas velocidades de viento Abstract: Electrical study of a superconductor wind turbine for low wind speed, can be broken down into two stages: electrical design and construction. To develop the electrical design of the wind turbine, its necessary to understand some of these concepts; the main power of the wind turbine is the rotor and stator which is why we can generate an EMF and the materials needed for construction taking into account the operating conditions of the superconducting electrical machines. In this work, In this paper, the main components of an electrical machine and materials necessary for the construction of prototypes are mentioned, to serve as a reference to innovate in the future in other superconducting wind turbines Keywords: Electrical turbine / Electrical generators / superconductor / low speeds wind INTRODUCCIÓN Los aerogeneradores son la evolución natural de los molinos de viento y hoy en día son aparatos de alta tecnología (ver figura 1). La mayoría de turbinas genera electricidad desde que el viento logra una velocidad de entre 3 y 4 metros por segundo, genera una potencia máxima de 15 metros por segundo y se desconecta para prevenir daños cuando hay tormentas con vientos que soplan a velocidades medias superiores a 25 metros por segundo durante un intervalo temporal de 10 minutos.se están convirtiendo cada vez más dominante estas máquinas con la competitividad de los costos de energía en la que se vende en los países. Por otro lado, los aerogeneradores ofrecen gran variedad de modelos con características diferentes; los cuales si estos se encuentran directamente conectados a la red eléctrica pueden ocasionar problemas como: • Generación eléctrica repentinamente. •
Es discontinua, su intensidad y dirección cambian
La fluctuación en la intensidad del viento produce apagones y daños.
Fig.1.Aerogenerador
En otro concepto, el uso de energías alternativas para la producción de electricidad ha venido a ser una necesidad imperante dado el incremento del costo de los combustibles y el efecto invernadero causante del cambio climático a nivel mundial. En el estado de Guanajuato la velocidad del viento se encuentra muy por
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Veranos UG, Faculta de Ingeniería Mecánica Eléctrica y Electrónica (FIMME],Campus Irapuato-Salamanca. Carretera a Salamanca- Valle de Santiago Km 3.5+1.8, Comunidad de Palo Blanco Salamanca, Gto. México, C.P. 36885, Tel 01 464 647 99 40
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Dr. Adrián González Parada, Lab. De Superconductividad aplicada , Depto. De Ingeniera Eléctrica División de Ingenierías, Universidad de Guanajuato Km 3.5+1.8, Comunidad de Palo Blanco Salamanca, Gto. México, Tel (464) 647 40 ext.2354,E-mail:
[email protected]
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debajo de la velocidad mínima de operación (ver tabla 1) en donde la velocidad del viento promedio es del orden de 3.08m/s. Tabla 1.Velocidad del viento en el estado de Guanajuato Estado
Ene.
Feb.
Mar.
Abr.
May.
Jun.
Jul.
Ago.
Sep.
Oct.
Nov.
Dic.
Guanajuato
2.69
4.08
1.92
2.33
2.56
4.81
3.47
2.78
2.64
4.33
3.11
2.28
Por lo que el uso de generadores eólicos para bajas velocidades de viento viene a ser una alternativa para aplicación en casas verdes hibridas (con conexión a la red eléctrica), alimentadas por medio de celdas fotovoltaicas y generadores eólicos Objetivo del trabajo Es el estudio de los diferentes tipos de generadores eólicos y la configuración de flujo axial, con materiales superconductores, que sirva como base para el desarrollo posterior de un prototipo de generador de flujo axial totalmente superconductor. Así como la metodología de fabricación para la manufactura del prototipo.
Generadores eólicos. Un generador eólico es uno dispositivos mecánico que convierte la energía del viento en electricidad. La electricidad generada se puede almacenar en bacterias, o utilizar directamente. Tipos de generación eólicas. Baja potencia. Son aquellos que entregan una potencia de hasta 100 kW. Se utiliza principalmente para abastecer viviendas, así como establecimientos de pequeño tamaño, reservándose casi exclusivamente al ámbito privado. Granja eólica. Produce energía eléctrica por medio de un gran número de turbinas eólicas dispuestas próximas entre si, la que es inyectada a la red en el punto de conexión. Los rangos normales de potencia para las turbinas eólicas oscilan entre 300 y 750 kW. Marinas. La potencia de los aerogeneradores en el mar es superior a las que están en tierra. Llegan a producir 5 MW. Las plataformas de sus aerogeneradores son flotantes en agua profundas. Generadores de flujo axial. Un generador de flujo axial es aquel que en el flujo de campo magnético esta en paralelo con el eje de giro del rotor, lo que hace que tenga una mejor eficiencia, más compacto, mejor rendimiento en relación al peso. Tipos de generadores de flujo axial. La máquina de doble estator consiste en dos estatores externos, y un rotor ubicado entre ellos. Los imanes permanentes están montados sobre las dos caras del rotor, de manera que hay imanes enfrentados hacia los bobinados de ambos estatores. Los dos estatores están bobinados con el mismo número de bobinas y de espiras. El núcleo de hierro del estator está laminado formando
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Fig. 2. Generador de flujo axial (doble estator)
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anillos concéntricos. Con La configuración con doble rotor se consigue una onda de inducción magnética del doble de amplitud, al estar las bobinas enfrentadas a dos imanes de polos opuestos cada vez. Esta configuración es muy similar a la de doble estator, con la diferencia de que tiene dos rotores externos y un estator interior como se muestra en la siguiente imagen (ver figura 2)
También existen configuraciones con un solo rotor y un solo estator como se muestra en la siguiente imagen (ver figura 3). En este caso existe una gran fuerza de atracción entre el rotor y el estator. Para prevenir desplazamientos de alguna de las piezas, se puede añadir un rotor o estator adicional, según sea el caso, de forma que la fuerza quede balanceada.
MÉTODOS Y MATERIALES.
Fig. 3. Generador de flujo axial (un estator)
Actualmente se cuenta con un estator superconductor en configuración de flujo axial, el cual tiene las siguientes características (ver tabla2): Tabla 2. Datos del estator
El cual cuenta con un estator sin medios ferromagnético, con el fin de evitar la saturación del núcleo magnético, poniendo sólo cintas en las configuraciones previamente establecidas. La construcción fue hecha por el corte y la soldadura de las cintas superconductoras con el fin de lograr la geometría propuesta (ver figura 4). Con el fin de hacer pruebas preliminares y verificar el comportamiento del rotor se construyó un rotor con imanes permanentes con características similares a los Fig.4.Diseño del estator materiales superconductores (ver figura 5), para posteriormente hacer pruebas definitivas con materiales superconductores. Por lo que en el presente trabajo se hace la investigación de que materiales son adecuados para la construcción del prototipo tomando en cuenta las condiciones de operación de un máquina superconductora (-200 ºC), esto se llevó a cabo en las instalaciones del taller de eléctrica en el laboratorio de Superconductividad aplicada de la División de ingenierías Campus Irapuato-Salamanca, en las fechas de 25 de junio al 2 de julio del 2014. Construcción de rotor
Fig.5.Diseño del rotor
Para hacer la construcción de un prototipo equiparable al comportamiento de un superconductor, se seleccionaron diversos materiales: •
Imanes de Neodimio (pastillas superconductoras de YBCO).
•
Resina epoxica (Estructura y soporte mecánico)
•
Malla de fibra de vidrio (estructura y soporte mecánico)
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Las características de cada uno de estos materiales se muestran en las tablas 3, 4,5. Tabla 3. Características del neodimio Modelo
Forma
Descripción
Material
Grado
Cobertura
Diámetro
Altura(esp
Magnetización
esor)
NR-0505-42
Circular
Imán permanente
Neodimio
N42
NiCuNi
25.4
32
axial
Tabla 4. Especificaciones de la resina epoxica
Tabla 5. Propiedades mecánicas de la resina epoxica
Se construye el rotor con imanes permanente se utiliza el modelo de 8 imanes (ver figura 5) con el fin de ver la eficiencia que estos genera, la construcción fue hecha con insertar imanes de neodimio con el fin de logra un campo magnético y similar al producido por materiales superconductoras y se cubrió el rotor con fibra de vidrio y con la resina epoxica (ver figura 6).
Fig.5.Rotor con 8 imanes
Fig.6.Rotor cubierto con fibra de vidrio
Posteriormente se le aplicó una presión de una tonelada (ver figura7) por un tiempo de 3 horas. Para concluir se hace una prueba de calidad para verificar el comportamiento en condiciones de operación reales; la cual consiste sumergir el rotor en Nitrogeno líquido para comprobar si en este no se producen grietas y soporta bajas temperaturas. Se muestra la imagen del rotor ya terminado (ver figura 8).
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Fig. 8. Rotor con imanes permanentes
Fig.7.Maquina de presión
RESULTADOS Y CONCLUSIONES Se ha desarrollado un proceso de manufactura para la fabricación del prototipo de rotor superconductor en donde se han expuesto los conceptos generales, el procedimiento y los pasos necesarios para la realización. El proceso de manufactura fue adecuado de acuerdo a los resultados obtenidos durante la prueba en de inmersión en nitrógeno líquido. Por lo cual los resultados obtenidos a partir de este trabajo se utilizaran para posteriores construcciones de los prototipos necesarios para el desarrollo de máquinas superconductoras.
REFERENCIAS
Libro
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