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Desarrollo de una Plataforma Experimental para una Nueva Configuracin de un Aerogenerador de Eje Vertical

Lourdes Garca, Azahel Trevio, David Lara, Gerardo Romero, Luis Ramrez, Lucero Romero

ygarcia@uat.edu.mx, trevinoazahel@gmail.com, dlara@uat.edu.mx, gromero@uat.edu.mx, larc89@hotmail.com, lucero_mrc@hotmail.com

Universidad Autnoma de Tamaulipas, Campus UAMRR

Carretera Reynosa-San Fernando cruce con Canal Rodhe s/n, Col. Arcoiris, Reynosa, Tamaulipas, Mxico, CP 88779

RESUMEN Uno de los temas tecnolgicos de actualidad es el uso de fuentes alternativas de energa, las cuales son benficas para el medio ambiente y contribuyen a disminuir el cambio climtico. Este documento presenta el diseo y construccin de un prototipo a escala de un aerogenerador de eje vertical que puede ser utilizado en la experimentacin y uso didctico. El prototipo est instrumentado de tal forma que se puede obtener un voltaje que est en funcin de la velocidad del rotor y puede ser ledo mediante un sistema de adquisicin de datos para su procesamiento mediante el software de instrumentacin virtual de National Instruments, LabVIEW. La instrumentacin virtual o programacin grfica permite implementar interfaces de usuario para el monitoreo y control. Por otro lado, el prototipo cuenta con un actuador para correccin del ngulo de elevacin de las palas, el cual es un servomotor del tipo aeromodelismo. Las pruebas preliminares de este sistema, muestran un buen desempeo del prototipo. PALABRAS CLAVE: Energa Renovable, Aerogenerador de Eje Vertical, Plataforma Experimental, Ingeniera de Prototipos. 1. INTRODUCCIN La energa elctrica es considerada como uno de los servicios bsicos para la subsistencia del ser humano, debido a que es parte fundamental del desarrollo industrial; sin embargo su demanda ha ido en aumento. Satisfacer esta necesidad es un reto, considerando la reduccin de combustibles fsiles, as como el cambio climtico derivado de la emisin de gases contaminantes. Una solucin para generar energa sin utilizar estos combustibles, es el uso de fuentes de energa renovable, como lo es la energa elica, la cual es abundante en la mayor parte de la superficie del planeta [1]. Desde 1961, se desarrollaron diferentes dispositivos que aprovechaban la energa del viento para producir electricidad, llamados aerogeneradores. Los aerogeneradores se disean y construyen a partir del conocimiento de diversas disciplinas y son operados bajo la ms avanzada tecnologa permitiendo ser conectados a cualquier tipo de red elctrica [2]. Hoy en da, en pases desarrollados, muchas organizaciones internacionales se han interesado en el desarrollo de sistemas eficientes para la generacin de energa elica, adems de realizar esfuerzos para encontrar condiciones econmicas a travs del estudio y la investigacin para el desarrollo de stos sistemas. Con base en las recientes polticas energticas en varios pases, muchas universidades y centros de investigacin han dirigido diversos proyectos de investigacin relacionados con la generacin de energa elica, como lo es la Universidad Autnoma de

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Tamaulipas en Mxico, cuyo objetivo es el desarrollo de pequeos aerogeneradores. Existe una vasta literatura concerniente a aerogeneradores, donde cada texto describe un objetivo especfico y se enfocan principalmente en los aerogeneradores de eje horizontal, HAWT, por sus siglas en ingls, debido a su alta eficiencia [3][4]. Aunque el aerogenerador de eje vertical fue el primero en ser utilizado para la extraccin de energa del viento, la mayora de las investigaciones de la era moderna dejaron de interesarse en ellos, debido a que, aparentemente, este tipo de turbinas no podan ser utilizadas para la generacin de electricidad a gran escala [5]. Por lo tanto, los aerogeneradores de eje horizontal seguan siendo el centro de las actividades de investigacin de energa elica de las ltimas dcadas; sin embargo, muchos grupos de investigacin continan trabajando en turbinas de eje vertical a menor escala, desarrollando diversas configuraciones de aerogeneradores con diferentes enfoques para su anlisis. Este documento muestra una nueva configuracin del rotor de un aerogenerador de eje vertical, que consiste en tres palasen forma de diedro, las cuales presentan una inclinacin con respecto al disco de rotor con un ngulo de elevacin. De esta manera, se utilizan los efectos aerodinmicos de las fuerzas de sustentacin y arrastre. Esta configuracin toma en cuenta los aspectos aerodinmicos de una forma simplificada, para obtener la velocidad angular nominal a una velocidad de viento relativamente baja. En primer lugar, nos enfocamos en el diseo y construccin de un prototipo de aerogenerador, con el fin de obtener una combinacin de ngulos aerodinmicos (elevacin y diedro) para las palas, que maximicen la velocidad de rotacin en toda la gama de velocidades de viento. As como en [6], se utilizaron como herramientas principales mtodos de ingeniera, diseo asistido por computadora e ingeniera de prototipos, se construyeron varios juegos de palas con diferentes combinaciones y se evaluaron experimentalmente en el aerogenerador de eje vertical utilizando diferentes condiciones de viento, midiendo la velocidad de rotacin en cada caso para recolectar datos. Los datos experimentales fueron analizados utilizando MATLAB, esto permite seleccionar la mejor combinacin de ngulos para las palas del rotor. Posteriormente, el rotor se instrument para aplicar algoritmos de control para el aerogenerador de eje vertical. 2. FUNDAMENTOS BASE Un aspecto importante para la generacin de energa elica es la velocidad del viento y el comportamiento de esta velocidad vara dependiendo diversos factores. Por lo tanto, las palas de un rotor de un generador elico se encuentran generalmente con un viento que flucta en forma aleatoria para todo tiempo, por lo que ests deben soportar cargas aerodinmicas fuertes [7]. En la tabla 1, se muestran las frmulas principales de aerodinmica, en las cuales se describen las fuerzas del viento y la densidad (), que actan sobre el aerogenerador. El flujo de viento que acta sobre el rotor con dimetro D, con velocidades de entrada y salida, 1y 2, respectivamente, 2

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la fuerza de sustentacin , que comprende el movimiento desarrollado por un perfil aerodinmico en el aire y acta de abajo hacia arriba con una direccin perpendicular al viento relativo , generando el empuje hacia adelante que permite el giro del rotor. La segunda fuerza es la de arrastre , la cual se opone directamente al movimiento de la pala del aire. Ambos coeficientes, de sustentacin y arrastre, estn en funcin del ngulo de ataque, lo que puede expresarse como = , donde es el ngulo entre la direccin del flujo y el plano de rotacin, y es el ngulo de paso de la pala [10].

Variable Frmula

Velocidad del rotor = 1(1 ) =1 + 2

2

Potencia mecnica =1

22

413(1 )(1 (1 2)2)

Coeficiente de potencia =

12 1

3 2

4

= 4(1 )2

Fuerza del rotor = 1

2 (

2

4) 1

2 (4(1 ))

Coeficiente de empuje =

12 (

2

4 ) 12= 4(1 )

Coeficiente de torque =

12

2 3

Tip Speed Ratio (TSR) =

2

Fuerza de sustentacin =

2 2

Fuerza de arrastre =

2 2

Tabla 1. Frmulas principales de un aerogenerador.

3. DISEO EN CAD Y CONSTRUCCIN DEL PROTOTIPO El dibujo asistido por computadora permite una comprensin clara de la estructura y el sistema mecnico del prototipo. Para establecer la geometra del perfil de pala del rotor del aerogenerador se utiliz el programa Javafoil. Posteriormente, se exporta a SolidWorks, el cual permite una mejor comprensin de las estructuras y sistemas mecnicos, visualizando de manera detallada cada una de las partes que conforman el prototipo. La figura1 muestra el diseo completo del rotor del aerogenerador de eje vertical, el cual consta de tres palas distribuidas con un ngulo de 120 una con respecto de la otra. Cada pala est diseada por dos partes, llamadas plantillas, idnticas en su forma, con una geometra de cinco lados y perfil aerodinmico laminar plano; donde la base de cada plantilla es el lado ms corto. Estas plantillas estn unidas por un borde comn contrapuestas formando un ngulo de diedro, el cual da una curvatura a la pala. As mismo se puede observar que el rotor consta de dos discos paralelos, alineados con respecto a su centro y unidos por un eje central; adems, cada disco cuenta con un buje que permite la rotacin del mismo. En el disco superior se encuentra un mecanismo mltiple que consta de tres enlaces articulados que permiten unirlo a cada una de las palas. El disco inferior cuenta con tres bisagras para unir las palas en su base, modificando la elevacin de las palas con la ayuda del eje de empuje.

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Figura 1. Diseo en CAD del rotor. Para la construccin del prototipo es necesario utilizar diversas herramientas y materiales para llevar a cabo estos modelos. Las palas fueron construidas con lminas de acrlico de 2.3mm de espesor, as como se muestra en la figura 2-a. Los discos fueron elaborados usando material plstico ligero. El primer disco presenta un dimetro de 11cm, y para disminuir la inercia se le dio una forma similar a la de un volante de tres radios distribuidos 120 uno con respecto al otro, como se puede apreciar en la figura 2-a. Las palas estn montadas sobre el disco del rotor por medio de bisagras. El segundo disco, presenta una estructura circular con un dimetro de 7cm; el cual, fue colocado en la parte superior del rotor y cuenta con un mecanismo mltiple. Este mecanismo est formado por 3 enlaces articulados con una longitud de 6.5cm, los cuales estn construidos de aluminio. Ambos discos estn alineados en su centro por un eje de empuje que transmite al disco superior un desplazamiento x, y permite la modificacin del ngulo de elevacin de las palas (ver figura 2-b). La fibra de carbono que constituye el eje de empuje, tiene una longitud de 11cm y es accionado por un servomotor, el cual realiza un movimiento angular.

Figura 2. Descripcin del mecanismo del rotor.

4. MODELO MATEMTICO SIMPLIFICADO. El modelo matemtico de un sistema ayuda a predecir el desempeo de ste bajo diferentes situaciones, estimando aquellas variables del proceso que no se pueden medir directamente; permitiendo as, optimizar su comportamiento y aplicar las leyes de control necesarias para la estabilizacin de las variables del sistema. El desarrollo del modelo matemtico de un aerogenerador de eje vertical se lleva a cabo, dividindolo en tres elementos: a) dinmica rotacional, b) aerodinmica y c) generador. En la figura 3 se puede observar el diagrama esquemtico del mecanismo de rotacin para el aerogenerador de eje vertical.

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Figura 3.Mecanismo de rotacin del generador elico

Tabla 2. Notacin del aerogenerador de eje vertical

La dinmica rotacional en el eje de baja velocidad puede expresarse en funcin de la segunda Ley de Newton para el movimiento angular, es decir,

= El torque total resulta del torque aerodinmico menos los torques de friccin del rotor,, el

torque requerido por el eje de altavelocidad, , y el torque de carga de la flecha . Tomando en cuenta que la carga de la flecha en microturbinas es relativamente pequea, sta puede despreciarse, por lo tanto la ecuacin puede expresarse como:

=

Por otro lado, la dinmica rotacional en el eje de alta velocidad est en funcin del par entregado por el multiplicador a su salida menos los pares producidos por el generador, los cuales son debido a la friccin que est en funcin de la velocidad angular y el coeficiente de friccin ,

y el producido por el campo magntico . Por lo tanto, simplificando trminos, se tiene:

Viento Torque del eje de baja velocidad R Radio del Rotor Torque del eje de alta velocidad ngulo de inclinacin de las palas N Sistema multiplicador Torque aerodinmico Inercia del generador Coeficiente de friccin del rotor Coeficiente de friccin del

aerogenerador

Inercia del rotor Torque del freno Velocidad angular

Coeficiente de friccin del eje de baja velocidad

Constante de amortiguamiento del eje de baja velocidad

(1)

(2)

(3)

6

=

El par demandado por el generador es directamente proporcional al flujo producido por el imn y a la corriente en la bobina del rotor, es decir:

=

El torque del generador puede ser expresado en funcin del voltaje de salida, mientras que el torque aerodinmico puede expresarse en funcin de la velocidad del viento y la velocidad angular del rotor. Sustituyendo y aplicando la transformada de Laplace en (3), resulta:

() = () () En este sistema, la modificacin del ngulo de elevacin de las palas del rotor, depende del actuador o servo, por lo tanto asumiendo que existe un retardo en la medicin, se tiene:

()= () + 2()()

5. INSTRUMENTACIN DEL SISTEMA La instrumentacin del prototipo consta de un sistema de adquisicin de datos, formado por una tarjeta electrnica, un mdulo, o bien un chasis con una combinacin de stos. Cuenta con diversos canales de entrada y salida de datos digitales y anlogos, que permiten conocer las variables fsicas del sistema. Para este prototipo se emplea el chasis NI USB-6343, fabricado por National Instruments. Por otro lado, la variable de salida del aerogenerador es el voltaje y se mide mediante un canal de entrada anlogo, y debe ser amplificado y filtrado para eliminar el ruido de conmutacin de las escobillas del generador. Para esto se emplean dos amplificadores operacionales, el primero con una configuracin de amplificador no inversor, y el segundo como un filtro pasa bajos. En la figura 4 se puede observar la conexin a la tarjeta de adquisicin de datos, donde la seal enviada al servomotor est conectada en los puertos digitales de la tarjeta, mientras que la conexin de la seal de salida del aerogenerador est al puerto anlogo del DAQ y a su vez enlazada al sensor. Este sensor es alimentado mediante una fuente de voltaje de 12 V y su circuito se muestra en la figura 4b.

Figura 4. Conexin del sistema a la tarjeta de adquisicin de datos.

6. ARREGLO DE PRUEBAS En ausencia de un tnel de viento, se realiz un arreglo de pruebas para probar la funcionalidad del sistema; en la figura5 se muestra un diagrama a bloques de dicho arreglo. Las pruebas se

(4)

(5)

(6)

7

realizaron tomado como fuente de aire un ventilador del tipo domstico de alta potencia, en un saln cerrado para evitar perturbaciones externas.

Figura 5. Diagrama a bloques del arreglo de pruebas

El primer experimento, permiti obtener una combinacin de ngulos de diedro y elevacin, dando con ello el mejor rendimiento a diferentes velocidades de viento. Se construyeron once juegos de palas con diferentes ngulos de diedro y se combinaron con seis ngulos de elevacin, donde cada combinacin fue sometida a diez velocidades de viento (0.5 m/s a 5 m/s en incrementos de 0.5 m/s). Para modificar la velocidad del viento generado por el ventilador, basta con disminuir o aumentar la potencia del mismo. La velocidad de viento y la velocidad angular del rotor se miden con un anemmetro (EXTECH AN100) y un tacmetro ptico (EXTECH 461920), respectivamente. 7. RESULTADOS EXPERIMENTALES Identificacin del sistema Todo proceso de identificacin parte de un conjunto de datos obtenidos de manera experimental del sistema fsico que se desea modelar. Por tal motivo, una vez realizadas las pruebas experimentales para la adquisicin de los datos, se realiz el proceso de identificacin del sistema utilizando el System Identification Toolbox de MATLAB. Este proceso consiste en estimar los coeficientes de la funcin de transferencia examinando los datos de entrada y salida para la representacin dinmica del aerogenerador de eje vertical. El experimento radica en aplicar una entrada tipo escaln al servomotor y registrar los datos de salida para su posterior anlisis fuera de lnea. Para este caso se estim un modelo con un retardo, dos polos y un cero, dando como resultado la siguiente funcin de transferencia del sistema:

G(s) = 0.08s + 0.2

0.3s2 + 1.1s + 1e0.065s

Una vez estimada, se compara el comportamiento real del sistema ante la seal de entrada con el comportamiento del sistema simulado con los parmetros obtenidos, donde la validacin dio como resultado un ajuste del 92%, utilizando un mtodo PEM.

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Programacin En Labview Una vez diseado el arreglo de pruebas, es necesario elaborar un programa, a partir del modelo matemtico y de la ley de control aplicada, que permita la estabilizacin del sistema. En la figura 6 se muestra el panel frontal del programa que sirve como interface con el usuario, y est conformado por tres ventanas que facilitan el uso del mismo. La primera ventana (a.) corresponde a la configuracin del servomotor, aqu se establecen los valores para configurar los temporizadores que generan la seal enviada al servomotor, la ruta de almacenamiento de los datos de las pruebas experimentales y, adems, se puede seleccionar la forma de operar del programa, manual o automticamente. La segunda ventana (b.) corresponde al control automtico de la plataforma experimental. El control automtico desempea un papel importante en este proceso, debido a que permite que el aerogenerador de eje vertical regule, sin la intervencin del usuario, su velocidad de rotacin y por la tanto el voltaje generado. Para que esto se lleve a cabo, es necesario introducir los valores previamente establecidos en las entradas numricas para la estructura del control PID, rangos, unidades y descripcin de la seal de referencia. En este caso, la seal corresponde al voltaje deseado producido por el aerogenerador. Adems, este panel cuenta con indicadores grficos y numricos que permiten comparar el valor de la seal de la variable controlada (process variable) respecto a la seal de referencia (setpoint). Por otro lado, muestra una grfica que corresponde a la seal enviada al servomotor para que ste modifique el ngulo de elevacin de las palas del rotor; dando el servomotor una seal con porcentaje de carrera entre 0 y 70%. La ltima ventana (c.) corresponde al control manual de la plataforma experimental, donde se puede ajustar manualmente el ngulo de elevacin de las palas del rotor. Cuenta adems, con indicadores que permiten medir RPM generadas por el rotor y el voltaje producido por el mismo.

Figura 6. Programa en LabVIEW del aerogenerador de eje vertical.

Pruebas experimentales Las pruebas experimentales consisten en ajustar los valores del control PID, aplicado en la ventana de control automtico del programa en LabVIEW. El objetivo de los ajustes de los parmetros PID es lograr que el lazo de control corrija eficazmente y en el mnimo tiempo los efectos de las perturbaciones. Posteriormente se deben elegir los coeficientes ptimos que permitan que la respuesta del sistema sea estable. Se puede observar que al modificar el valor del setpoint, el cual representa el voltaje generado por la plataforma, inicia el estado transitorio del sistema, lo cual implica que el valor de deba incrementar o disminuir para regular la velocidad del rotor y de esta forma lograr la estabilidad del proceso.

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Figura 7. Respuesta del sistema.

La figura 7muestra la respuesta de la seal de salida del aerogenerador, donde el controlador lee la seal externa que representa el valor que se desea alcanzar (setpoint); logrando que el comportamiento del sistema ante una perturbacin se corrija dando una estabilidad al proceso. 8. CONCLUSIONES Con el desarrollo, anlisis e investigacin en este documento, se logr la construccin de una plataforma experimental de un aerogenerador de eje vertical, basndose en la Ingeniera de Mtodos y Prototipos, permitiendo con ello la realizacin de pruebas experimentales, lo que resulta de utilidad para fines didcticos, estableciendo un punto de partida para investigaciones futuras en el rea de energas renovables dentro de nuestra institucin. Con los resultados obtenidos de los datos experimentales del aerogenerador, fue posible determinar el modelo matemtico del sistema utilizando la herramienta System Identification Toolbox de MATLAB, estimando los coeficientes de la funcin de transferencia mediante el anlisis de los valores de las seales de entrada y salida para la representacin dinmica del aerogenerador de eje vertical. Al determinar los valores del controlador se logr la regulacin de las palas del rotor, es decir, al aplicar un flujo de aire al aerogenerador, ste ajusta el ngulo de elevacin de las palas hasta generar el voltaje deseado por el usuario. 10. REFERENCIAS [1] Olimpo Anaya et al., Wind Energy Generation, Modelling and Control, 3

rd ed., John Wiley and

Sons, UK 2009. [2] J.F. Manwell et al., Wind Energy Explained, Theory, design and application. 2

nd ed, John Wiley

and Sons, UK 2009. [3]Peter Jamieson, Innovation in Wind Turbine Design, 1st Edition, John Wiley and Sons, UK 2011. [4] Ahmad Hemami, Wind Turbine Technology, 1st Edition, Cengage Learning, USA 2012. [5] K. Pope et al., Energy and exergy efficiency comparison of horizontal and vertical axis wind turbines, Renewable Energy Vol. 35, 2010, pp. 2102-2113.

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[6] A. Trevino, et al., Methods engineering for designing a didactic low cost small wind turbine generator, Proceedings of the IEEE-CCCA 2012 conference, Marseille France, 6 December 2012, pp 1261-1266. [7] Mosqueira Salvador, Fsica Elemental. Editorial Patria, 5

ta ed, Saavedra 1980.

[8] Fernando D. Bianchi, Hernn De Battista, Ricardo J. Mantz. Wind Turbine Control Systems. Principles, Modelling and Gain Scheduling Design. Springer, UK 2010. [9] Rodrguez Amenedo Jos Luis, Arnalte Gmez Santiago, Burgos Daz Juan Carlos, Sistemas Elicos de produccin de energa elctrica. Editorial Rueda SL, Espaa 2003. [10] Erich Hau, Wind Turbines, Fundamentals, Technologies, Application, Economics, 2

nd ed,

Springer, UK 2005.