Desarrollo eléctrico de un sistema de microgeneración eólica

Oliveros Rubio, Pablo (2016). Desarrollo eléctrico de un sistema de microgeneración eólica. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Descripción

Título: Desarrollo eléctrico de un sistema de microgeneración eólica
Autor/es:
  • Oliveros Rubio, Pablo
Director/es:
  • Blázquez García, Francisco
  • Rebollo López, Emilio
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Fecha: 2016
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

En la actualidad existe una necesidad energética mundial muy alta. Se tiene conocimiento de que 1300 millones personas no tienen acceso a la energía y 2700 millones de personas extraen energía de la biomasa tradicional, que favorece el deterioro gradual del medio ambiente por la emisión de gases. En el marco del primer grupo, dado que los países a los que pertenecen estas poblaciones poseen habitualmente rentas per-cápita bajas no disponen de capacidad económica suficiente para realizar instalaciones eléctricas o de generación complicadas y tecnológicamente avanzadas. La consecuencia de su escaso o nulo acceso a la energía provoca que su desarrollo se realice de forma muy lenta y parece evidente que para acelerar este desarrollo deban proponerse alternativas energéticas sencillas que puedan incluirse en la capacidad económica de esta población. Por otra parte, en la cumbre de París llevada a cabo en diciembre de 2015 se planteó como objetivo limitar el aumento de temperatura global a menos de 2ºC, compromiso que firmaron las principales potencias mundiales. Este objetivo se plantea imposible de cumplir si 2700 millones de personas continúan accediendo a la energía mediante la emisión de gases contaminantes. A la vista del análisis, parece evidente que en los próximos años aparecerán nuevas tecnologías de generación renovable, al igual que han comenzado a aparecer tecnologías renovables en la industria de la automoción o en el transporte aéreo, que permitirán la autogeneración y la disposición de energía limpia a un coste que suponga una alternativa real a la generación por biomasa, y que permita introducir la energía en aquellas localizaciones remotas que aún no cuentan con ella. En definitiva, estas nuevas tecnologías deberán buscar soluciones que reduzcan las personas sin acceso o con acceso deficiente a la energía. En este marco, este proyecto busca realizar una propuesta de generación renovable para localizaciones remotas. La propuesta consiste en un módulo de microgeneración que cuenta con una turbina eólica y con la posibilidad de complementar la generación con un panel solar. Para el desarrollo de este sistema se ha descompuesto en sus cuatro partes fundamentales, la turbina, el generador, el controlador híbrido eólico-solar y el sistema de almacenamiento a través de baterías. La primera particularidad del sistema es que la turbina es de eje vertical. La principal ventaja de este modelo es que no precisa mecanismo de orientación y permite simplificar el sistema de control. Además trabaja mejor en régimen turbulento que los de eje horizontal y por tanto tendrán mejor respuesta en aquellas turbinas que se sitúen cerca del suelo donde el flujo de aire es más turbulento. Como ventajas secundarias aparece un menor nivel de ruido y un mejor comportamiento a fatiga. Dentro de las tecnologías existentes en turbinas eólicas de eje vertical aparecen dos modelos principales, la tecnología Savonious basada en fuerzas “drag” y la tecnología Darrieus basada en fuerzas “lift”. Las turbinas Darrieus presentan un comportamiento general más favorable aunque con un costo superior. Sin embargo, las propiedades de bajo mantenimiento, alta eficiencia, baja desgaste y buena seguridad compensan el incremento de coste presente en las turbinas Darrieus. Debe destacarse, que un modelo Darrieus que asemejase su precio a un Savonious mediante la utilización de nuevas tecnologías de fabricación como la impresión 3D o la utilización de materiales más sencillos podría convertir este sistema en una alternativa altamente competitiva en el mercado. Dentro de las turbinas Darrieus se ha escogido el modelo helicoidal, entre otras ventajas, por su nulo par de arranque que permite a la turbina a arrancar sin necesidad de motores auxiliares. La tecnología utilizada para la generación eléctrica ha sido un generador síncrono de imanes permanentes de flujo radial. El motivo de escoger un generador síncrono ha sido su capacidad de trabajar sin caja multiplicadora, que suele ser uno de los elementos que presentan menor fiabilidad en los sistemas eólicos, su alta eficiencia y su bajo requerimiento de mantenimiento. Se ha preferido además la tecnología de imanes permanentes frente a rotor devanado dado que mejoran la eficiencia del conjunto, aumentan la fiabilidad del sistema, y disminuyen la necesidad de refrigeración. Además los nuevos diseños de imanes permiten trabajar a temperaturas elevadas sin riesgo de desmagnetización del material. Es preciso destacar que se ha escogido el menor número de polos que entregan una frecuencia nominal aceptable dado que estos componentes son los más caros del sistema. El flujo radial se ha escogido frente al flujo axial porque presentan una compacidad mayor para el número de polos y la potencia del sistema que se estudia, aun presentando ambas tecnologías unas prestaciones similares. El generador se ha diseñado y se ha buscado las mejores prestaciones posibles asegurando una robustez y un precio reducido del conjunto. La configuración realizada ha sido de estator exterior y para su correcto dimensionamiento se ha llevado a cabo en primer lugar un dimensionamiento analítico para a posteriori evaluar el comportamiento en métodos numéricos. El controlador se ha escogido con la misión básica de regular el comportamiento del sistema: la corriente de carga de las baterías, el exceso de velocidad de rotación de la turbina y protección ante situaciones de cortocircuitos, sobre tensión u otros desafortunados acontecimientos. La transformación de corriente de alterna a continua se realiza a distintas tensiones de entrada por lo que el controlador cuenta con un rectificador y un convertidor reductor/elevador. Además se ha seleccionado un controlador que acepta tensiones relativamente altas a velocidad nominal con el fin de reducir la corriente y disminuir las pérdidas, aumentando de esta forma la eficiencia del sistema. Finalmente se ha seleccionado la tecnología de almacenamiento en baterías de ión – sodio porque presenta unas prestaciones similares a las del litio a un precio mucho menor. Presenta además unas propiedades de almacenamiento idóneas para los sistemas de generación renovable. El comportamiento del conjunto se ha estudiado a través de vectores espaciales y se ha llegado a la conclusión de que las tecnologías propuestas para este sistema podrían suponer una alternativa de generación muy interesante para los objetivos propuestos. Sin embargo, debe destacarse que para representar una alternativa real, el precio de los componentes debería disminuirse pues se encuentra aún lejos de la capacidad adquisitiva de la población objetivo. Esto podría lograrse mediante uso de nuevas tecnologías de fabricación como la impresión 3D o la evaluación de la posible economía de escala derivada de la producción de muchos sistemas.

Más información

ID de Registro: 43922
Identificador DC: http://oa.upm.es/43922/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:43922
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 18 Nov 2016 12:19
Ultima Modificación: 18 Nov 2016 12:19
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