Treball de Recerca Aerogeneradors

109
1 2016 Alumne: Elies Ciutat Camps Professor: Àlex Abad 08/01/2016 ENERGIA EÒLICA I CONSTRUCCIÓ D’UN AEROGENERADOR.

Transcript of Treball de Recerca Aerogeneradors

Page 1: Treball de Recerca Aerogeneradors

1

Alumne: Elies Ciutat Camps

Professor: Àlex Abad

08/01/2016

2016ENERGIA EÒLICA I CONSTRUCCIÓ D’UN AEROGENERADOR.

Page 2: Treball de Recerca Aerogeneradors

Índex

1- ANTECEDENTS..............................................................................................................5

2- AVANTATGES I INCONVENIENTS DE L’ENERGIA EÒLICA.......................................62.1 AVANTATGES.......................................................................................................................6

2.2 - INCONVENIENTS................................................................................................................8

3- HISTÒRIA DE L’ENERGIA EÒLICA................................................................................9

4- INTRODUCCIÓ DELS AEROGENERADORS..............................................................10

4.1 AEROGENERADOR............................................................................................................11

4.1.1 EL SEU FUNCIONAMENT...............................................................................................11

4.2 EXPLICACIÓ DETALLADA..................................................................................................12

4.3 - EVOLUCIÓ DELS AEROGENERADORS.........................................................................13

4.4 PARTS D’UN AEROGENERADOR.....................................................................................14

4.5 CARACTERÍSTIQUES.........................................................................................................21

4.6 TSR: RELACIÓ VELOCITAT PERIFÈRICA.........................................................................21

4.7 - TIPUS D’AEROGENERADORS........................................................................................22

4.7.1 TIPUS DE TURBINES D’EIX HORITZONTAL..............................................................23

4.7.2 EIX VERTICAL..............................................................................................................26

5- POTÈNCIA D’UNA TURBINA........................................................................................31

5.1 POTÈNCIA EÒLICA.............................................................................................................31

5.2 LLEI DE BETZ......................................................................................................................33

5.3 LLEI EXPONENCIAL DE HELLMANN.................................................................................36

6- PART PRÀCTICA..........................................................................................................37

6.1 OBJECTIUS.........................................................................................................................37

6.2 MOTIVACIONS:...................................................................................................................37

6.3 METODOLOGIA...................................................................................................................38

7- FASE DE DISSENY.......................................................................................................39

7.1 INTRODUCCIÓ....................................................................................................................39

7.2 PER QUÈ DISSENYAR DOS AEROGENERADORS TANT DIFERENTS?........................39

7.3 CÀLCUL DE POTÈNCIA DE LES TURBINES.....................................................................40

7.4 OBTENCIÓ DE DADES.......................................................................................................40

7.3.1 TURBINA SAVONIUS...................................................................................................42

2

Page 3: Treball de Recerca Aerogeneradors

7.3.2 TURBINA TRIPALA......................................................................................................44

7.3.3 DETERMINACIÓ DEL RENDIMENT DEL GENERADOR ELÈCTRIC.............................46

7.5 CONDICIONS INTERNES..............................................................................................47

7.6 DISSENY DEL ROTOR DE L’AEROGENERADOR........................................................48

7.6.1 SAVONIUS....................................................................................................................48

7.6.2 HAWT TRIPALA............................................................................................................51

7.7 DISSENY DEL BOIX I ROTOR DE LA PALA......................................................................54

7.8 DISSENY DE L’EIX..............................................................................................................56

7.9 DISSENY DE L’ESTRUCTURA DE SUBJECCIÓ...............................................................58

SAVONIUS..................................................................................................................................58

8- GENERADOR ALTERNADOR D’IMANTS PERMANENTS.........................................60

8.1 ROTOR I ESTATOR............................................................................................................60

8.2 CONFIGURACIÓ.................................................................................................................61

8.3 CONSTRUCCÓ DE LES BOBINES.....................................................................................62

8.4 GENERACIÓ DE TENSIÓ ALTERNA..................................................................................65

8.5 DISSENY DEL SISTEMA DE TRANSMISSIÓ.....................................................................67

9- ELECTRÒNICA. DISSENY DEL CIRCUIT....................................................................69

9.1 MATERIALS I COMPONENTS............................................................................................69

9.2 ESQUEMA I FUNCIONAMENT DEL CIRCUIT....................................................................73

10- PLÀNOLS.................................................................................................................. 77

11 PRESSUPOST...........................................................................................................86

12. CONCLUSIONS.........................................................................................................87

13 BIBLIOGRAFIA...........................................................................................................89

3

Page 4: Treball de Recerca Aerogeneradors

“t vaig sentir molta emoció quan les turbines van girar per primer cop..” Elies

Ciutat

AGRAÏMENTS

En primer lloc, vull agrair al meu tutor del Treball de Recerca, Àlex Abad,

per la seva orientació constant i l'ajuda tècnica, que han estat

essencials. 

També agraeixo la col·laboració oferta pel meu pare, que ha seguit el

meu treball molt de prop i m'ha aconsellat. Per últim, vull agrair l’ajuda

de José Manuel Pardos, un professor de tecnologia jubilat que m’ha

ajudat en la construcció de la maqueta i m’ha ensenyat a utilitzar

màquines noves per a mi, ja que disposa d’un taller propi. La formació

rebuda per ell m'ha anat mostrant el camí fins a aquesta part del

coneixement.

1- ANTECEDENTS4

Page 5: Treball de Recerca Aerogeneradors

El vent és una de les fonts d'energia més antigues i conegudes. Els convertidors d'energia eòlica eren coneguts a Pèrsia i a la Xina, i durant moltíssims anys els vaixells de vela van constituir una important utilització de la energia eòlica. Al segle passat, els convertidors d'energia eòlica s'utilitzaven especialment per accionar molins, per moldre gra i per bombejar aigua.

Durant moltes dècades s'han utilitzat rotors molt petits per tal de subministrar energia elèctrica i calefacció a granges i cases situades en llocs apartats, per proveir energia a estacions meteorològiques i de retransmissió, igualment per bombament d'aigua i ventilació en estanys de piscicultura, etc.

Les possibilitats d'utilització van en augment, tant a causa de la tecnologia i dels materials millorats com a causa dels forts augments en els preus de l'energia primària.

 L'aprofitament de l'energia eòlica constitueix una font d'energia summament atractiva i avantatjosa, no solament per a les empreses de serveis públics, sinó també per a l'economia d'un país en general.

5

Page 6: Treball de Recerca Aerogeneradors

2- AVANTATGES I INCONVENIENTS DE L’ENERGIA EÒLICA.

2.1AVANTATGES

1- És energia renovable: hi haurà vent fins que el sol s’extingeixi o l’atmosfera desaparegui.

2- És energia neta, sense emissió de gasos d’efecte hivernacle.

Cada kWh d'electricitat generada per energia eòlica en lloc de carbó, evita:

0,60 Kg. De CO2, diòxid de carboni

1,33 gr. de SO2, diòxid de sofre

1,67 gr. de NOx, (òxids de nitrogen)

L'electricitat produïda per un aerogenerador evita que es cremin diàriament milers de litres de petroli i milers de quilograms de lignit negre a les centrals tèrmiques. Aquest mateix generador produeix idèntica quantitat d'energia que l’obtinguda per cremar diàriament 1.000 kg. de petroli. En no cremar aquests Kg de carbó, s'evita l'emissió de 4.109 Kg. de CO2 i s’aconsegueix un efecte similar al produït per 200 arbres.

S'impedeix l'emissió de 66 Kg de diòxid de sofre (SO2) i de 10 Kg. d'òxid de nitrogen (NOx) , principals causants de la pluja àcida.

3- L’impacte ambiental de les instal·lacions eòliques és molt petit:

3.1- El soroll és petit: pot mantenir-se una conversa sense esforç a la base d’un aerogenerador. El soroll és major quan el vent és fort.

3.2- Els parcs eòlics solament ocupen un 2% de la Terra.

3.3- La mort d’aus és menor que la produïda per les línies de corrent, cases o automòbils, ja que els nous dissenys tubulars de les torres en minimitzen el problema. L’impacte en la fauna és positiu si es té en comte la reducció de les emissions.

6

Page 7: Treball de Recerca Aerogeneradors

4- Proporciona diversificació rural i ocupació local, és fàcil d’integrar en xarxes de potència elèctrica ja existents.

5- El disseny dels aerogeneradors és flexible i amb aplicacions diverses.

6- El cost de producció ha baixat més d’un 80% en dues dècades.

7

La Indústria energètica amb major ritme de creixement en l’última dècada.

Page 8: Treball de Recerca Aerogeneradors

2.2- INCONVENIENTS

A pesar dels avantatges assenyalats anteriorment, l’energia eòlica està entrant en una fase de forta polèmica per part dels mitjans ecologistes que sostenen diferents raons:

1- Els llocs més apropiats per a la seva instal·lació solen coincidir amb les rutes de les aus migratòries o zones on les aus aprofiten vents de vessant, que fa que entrin en conflicte els aerogeneradors amb les aus. Afortunadament , els nivells de mortalitat són molt baixos en comparació a altres causes , com per exemple els atropellaments. Malgrat tot, experts independents asseguren que la mortalitat és alta.

2- Quan s’instal·len en zones elevades o muntanyoses, és necessari construir camins i realitzar tasques que destrueixen la vegetació natural i posteriorment s’originen problemes d’erosió.

3- Es necessita el recolzament de centrals mogudes per altres tipus d’energia per estabilitzar la seva producció.

4- Produeixen l’anomenat efecte discoteca: Aquest efecte apareix quan el sol està per darrere dels aerogeneradors i les ombres de les aspes es projecten amb regularitat sobre els jardins i les finestres parpellejant. Això, unit al soroll, pot portar les persones fins a un nivell alt d’estrès, amb efectes de consideració per a la salut.

8

Page 9: Treball de Recerca Aerogeneradors

3- HISTÒRIA DE L’ENERGIA EÒLICA.

► La humanitat fa servir per primera vegada l'energia del vent a Egipte , al voltant de l'any 3000 A.c. per propulsar vaixells de vela.

► Es diu que Hammurabi feia servir molins de vent per a la irrigació en l'any 2000 A.c. , amb els primers molins coneguts com Seistan, del segle VII.

► L'any 1400, el papa Celestí III reclama la propietat del vent: els

molins poden usar-se pagant una quota.

► Al 1854 Halladay introdueix un molí de vent lleuger, barat, que s’estableix

com un dels símbols de les granges americanes.

► Al 1888 Brush construeix la primera turbina eòlica per a

generació d’electricitat, millorada en els anys següents per Poul La Cour.

► El primer molí de vent de grans dimensions per generació d’electricitat, la turbina Smith-Putnam va ser construïda a Vermont al 1945.

► L'any 2005 hi ha generadors que produeixen més de 5 MW i grans parcs

(o "granges ") eòliques instal·lades al mar ("offshore").

9

Page 10: Treball de Recerca Aerogeneradors

4- INTRODUCCIÓ DELS AEROGENERADORS

L’energia eòlica és l’energia obtinguda pel vent. És un dels recursos energètics més antics explotats per l’ésser humà i avui dia és l’energia més eficient dins l’àmbit de les energies renovables. Actualment l’energia eòlica s’utilitza per generar energia elèctrica, però temps enrere s’utilitzava en la navegació, per moldre grans i per treure l’aigua dels pous. El principal mètode per obtenir aquesta energia és mitjançant els aerogeneradors o molins de vent que transformen amb els seus àleps l’energia cinètica del vent en mecànica.

El terme “eòlic” prové del llatí ‘aeolicus’, relatiu a Èol, déu dels vents en la mitologia grega.

Figura 4.1

10

Page 11: Treball de Recerca Aerogeneradors

4.1AEROGENERADOR

Un aerogenerador és una màquina que permet transformar l'energia del vent en energia elèctrica.

El resultat de més d'un mil·lenni de desenvolupament de molins de vent i l'enginyeria moderna han fet que els aerogeneradors d'avui es fabriquin en una àmplia gamma de tipus d'eix vertical i horitzontal.

Els més petits s'utilitzen per a aplicacions com ara la càrrega de bateria de potència auxiliar per a embarcacions o caravanes o senyals d'advertència de trànsit de potència. Els parcs eòlics s'estan convertint en una font cada vegada més important de les energies renovables i són utilitzats per molts països com a part d'una estratègia per reduir-ne la dependència de combustibles fòssils .

4.1.1 EL SEU FUNCIONAMENT

L’energia eòlica dels aerogeneradors, que de fet és l’energia cinètica de l’aire en moviment, és captada per una hèlix que seguidament es mou i transforma l’energia cinètica inicial en energia rotacional. Aquesta última energia és transmesa per un eix, el qual s’anomena principal, fins a un mecanisme, que rep el nom de multiplicador. Aquest està format per un conjunt d’engranatges que s’encarreguen d’ajustar les revolucions de l’eix principal fins arribar a la velocitat de gir adequada per tal que el generador elèctric transformi aquesta energia rotacional en elèctrica. Aquest generador proxueix electricitat alterna.

Figura 4.1.1

11

Page 12: Treball de Recerca Aerogeneradors

4.2 EXPLICACIÓ DETALLADA

És imprescindible que un aerogenerador estigui situat en una zona on bufi molt el vent. El fet és que el doble de vent proporciona una energia vuit vegades major.

Per exemple, un parc eòlic a la costa genera el doble d’energia que un de terra endins.

Independentment del lloc, a major altura de torre, major és la producció.

Quan la velocitat del vent arriba als 15m/s, travessa el rotor de l’aerogenerador de 1000KW i passen 43 Tones d’aire cada segon. Així, enormes quantitats d’energia cinètica són convertides en electricitat.

Les tres pales unides al boix formen un rotor, unit a l’eix principal. La cabina que hi ha sobre la torre s’anomena góndola, que pot ser moguda gràcies a un sistema d’orientació amb motors elèctrics. Una multiplicadora connecta l’eix del rotor amb el generador. Un anemòmetre i un penell llegeixen la velocitat i la direcció del vent i les dades son contínuament analitzades per un ordinador que controla totes les funcions de la turbina.

Quan la velocitat del vent arriba als 4 m/s, l’ordinador activa el motor d’orientació que gira la góndola i manté el rotor orientat al vent. El vent és pressionat contra la pala i el perfil aerodinàmic crea una alta pressió en un costat de la pala i una baixa pressió en el costat oposat. L’energia del vent és així transferida a les pales del rotor i comença a girar. El rotor està connectat a la multiplicadora. La velocitat de gir és augmentada a la multiplicadora i transferida al generador. Quan el generador arriba a una velocitat en què pot produir electricitat, es connecta a la xarxa. Les pales giraran a una velocitat de rotació constant. La turbina es construeix per subministrar la màxima producció d’electricitat a una velocitat de 15 m/s. Quan el vent en sobrepassi la velocitat, part del vent ha de ser dissipat per evitar un excés de càrrega en la turbina. Durant vents de tempesta de 25m/s o més, l’ordinador activa el sistema hidràulic que gira el fre aerodinàmic de la pala i posteriorment activa el fre de disc i el rotor s’atura. Quan el vent disminueix l’ordinador torna a posar la turbina en funcionament i la producció d’electricitat continua.

12

Page 13: Treball de Recerca Aerogeneradors

4.3 - EVOLUCIÓ DELS AEROGENERADORS

El diàmetre del rotor és el de l’àrea circular per on passen les pales quan l’aerogenerador està en funcionament.

Figura 4.3.1

Relació entre la potència nominal i el diàmetre del rotor d’un aerogenerador.

Figura 4.3.2

4.4PARTS D’UN AEROGENERADOR13

Page 14: Treball de Recerca Aerogeneradors

Els components principals d'una HAWT típica es representen en els punts següents:

1- Pales: les pales són un dels elements més importants de l’aerogenerador, ja que transformen la velocitat del vent que incideix en el moviment de rotació per poder generar l'energia elèctrica.

Els materials de les pales amb perfils aerodinàmics són de fibra de vidre i resina de polièster, que tenen bones propietats mecàniques com resistència a la fatiga, poca dilatació del material i facilitat constructiva.

La configuració de tres pales ve donada per l'augment d'aprofitament del recurs eòlic,ja que d'una configuració d'una sola pala a dues s'incrementa en un 10% i de dues a tres, un 4%, mentre que amb quatre pales l'increment és inferior a l’1% i l'estabilitat estructural que s'aconsegueix amb les tres pales també és menor.

Figura 4.4.1

2- Boix: el boix és l'element que uneix les pales amb l'eix. En sistemes de dues pales el boix pot ser basculant i permet que hi hagi un moviment lliure entre el pla perpendicular i el de les pales inferior a 10º per aprofitar la força del vent, però

14

Page 15: Treball de Recerca Aerogeneradors

normalment el boix és rígid i la unió de les pales amb l'eix es fa de manera rígida, com per exemple, amb unions cargolades.

Figura 4.4.2

3- Eix: l'eix de baixes revolucions és el que està connectat al boix i transmet la velocitat de gir de les pales a la caixa multiplicadora

Figura 4.4.3

4- Caixa multiplicadora: la caixa multiplicadora és l'encarregada d'augmentar la velocitat de gir de l'eix i d'aquesta manera ajustar el règim de gir i la freqüència del generador elèctric, gràcies a un sistema d'engranatges que poden ser rectes o

15

Page 16: Treball de Recerca Aerogeneradors

helicoïdals. La relació de transmissió és el factor que relaciona la velocitat de gir entre l'eix connectat al boix i l'eix de sortida de la caixa multiplicadora. La transmissió d'engranatges es pot fer mitjançant diverses etapes de transmissió per aconseguir la velocitat desitjada.

5- Eix d'alta velocitat: és l'encarregat de connectar la caixa multiplicadora amb el generador elèctric.

Figura 4.4.4

6- Generador elèctric: el generador elèctric transforma l'energia mecànica del rotor en energia elèctrica per consum. Està format per imants acoblats al rotor que provoquen un camp magnètic constat giratori i aquest passa per les bobines , tot provocant-hi un flux magnètic variable i d'aquesta manera un voltatge degut a la variació en el temps. Els factors que determinen la generació d'electricitat són el nombre de pols del generador i la velocitat de rotació.

Normalment s'utilitzen generadors trifàsics i dintre d'aquests n’hi ha de dos tipus utilitzats en les turbines eòliques:

16

Page 17: Treball de Recerca Aerogeneradors

a) Síncron: un generador elèctric síncron o alternador és aquell que gira a freqüència constant i normalment està connectat a un convertidor de freqüència per aconseguir que la velocitat de gir pugui ser variable com la velocitat del vent.

b) Asíncron: els generadors asíncrons són els més utilitzats, ja que poden girar a velocitats diferents i presenten més facilitat constructiva.

Figura 4.4.6.1 Figura 4.4.6.2

7- Controlador electrònic: el controlador electrònic d'un aerogenerador de gran potència és l'encarregat de monitoritzar les dades de la turbina. Els aerogeneradors moderns poden supervisar més de 100 paràmetres, els més importants dels quals són la velocitat , la direcció del vent per orientar les pales i el rotor, que aprofita la màxima potència eòlica, controla la velocitat de gir dels eixos i del generador elèctric, supervisa el correcte funcionament de la turbina i envia dades estadístiques del funcionament o generació elèctrica.

Figura 4.4.7

17

Page 18: Treball de Recerca Aerogeneradors

8- Sistema de Refrigeració: per poder garantir el correcte funcionament de l'aerogenerador s'empra un sistema de refrigeració que regula la temperatura del generador elèctric gràcies a ventiladors d'aire o, en els més avançats, refrigeració per aigua, que augmenten el rendiment, però són més complexos de construir.

També s'utilitzen sistemes de refrigeració en altres parts del sistema, com a la caixa multiplicadora, on es refreda l'oli dels engranatges per tal que es treballi en el punt òptim de temperatura i no es malmeti el sistema de transmissió.

9- Adquisició de dades: el sistema d'adquisició de dades d'una turbina eòlica està format per un anemòmetre i un penell que envien les dades de velocitat i direcció del vent al controlador electrònic. L'anemòmetre envia les dades de velocitat del vent i d'aquesta manera es pot configurar la posició de les pales per obtenir l'angle òptim d'atac al vent o poder parar la rotació en casos de vent extrem mentre que les dades del penell s'empren per regular l'orientació de l'aerogenerador i encarar correctament el rotor amb la direcció del vent.

10- Góndola: és la part superior d'un aerogenerador i l'habitatge on es troben els sistemes mecànics i elèctrics de l'aerogenerador.

La góndola es connecta a la torre de sustentació mitjançant un sistema de transmissió i corones dentades per poder orientar-la segons la direcció del vent.

Figura 4.4.8

18

Page 19: Treball de Recerca Aerogeneradors

11- Torre: la torre és la part de l'aerogenerador encarregada de la sustentació de la góndola i el rotor. Com més alta sigui la torre més energia s'obté per la variació de la velocitat del vent amb l'altura, però més dificultat constructiva hi ha. Els tipus de torre que s'empren en aerogeneradors són:

a) Torre d'acer tubular: és el tipus de torre més utilitzada en la construcció d'aerogeneradors de gran potència, a causa del comportament mecànic i l'altura que es pot assolir amb aquest mètode. Les torres estan constituïdes per la unió de diversos trams de secció troncocònica amb un diàmetre major a la base per augmentar la resistència estructural i disminuir el cost de material.

Figura 4.4.9.1

b) Torre amb estructura de gelosia: són torres formades per unions soldades de perfils d'acer constructiu formant una estructura que té la mateixa rigidesa estructural que els perfils tubulars d'acer i de menor cost econòmic en emprar menys material per a la seva construcció, però d'un impacte visual pitjor per a l'entorn.

Figura 4.4.9.2

19

Page 20: Treball de Recerca Aerogeneradors

c) Torres de formigó: les torres estan fabricades amb formigó armat pretensat i poden ser una alternativa a les d'acer tubular, a causa del cost econòmic quan es necessita una torre de rigidesa elevada.

d) Torres d'acer tubular amb tirants: la majoria d'aerogeneradors de baixa potència com els domèstics utilitzen aquest tipus de sustentació que es caracteritza per una torre amb un perfil d'acer normalment tubular i l'ajuda de tirants d'acer per sostenir-la, la qual cosa representa una solució molt econòmica.

Figura 4.4.9.3

20

Page 21: Treball de Recerca Aerogeneradors

4.5CARACTERÍSTIQUES

El que caracteritza el funcionament d’un aerogenerador és la seva corba i el seu coeficient de potència. la corba de potència indica el rang de velocitats de vent en què pot operar l’aerogenerador i la potència que pot proporcionar en cada cas. Aquesta corba mostra el valor mínim de velocitat de vent necessari per a que un aerogenerador determinat comenci a funcionar (va), normalment comprès entre els 5 i 7 m/s. A partir d’aquest valor, i a mesura que augmenta la velocitat del vent, augmenta la potència proporcionada per l’aerogenerador, fins arribar a un punt on l’aerogenerador proporciona un valor de potència màxim (pmàx a vpmàx). per a velocitats de vent superiors a vpmàx (25-28 m/s), l’aerogenerador ha de frenar per raons de seguretat.

4.6TSR: RELACIÓ VELOCITAT PERIFÈRICA

Les aeroturbines lentes tenen un TSR petit i un gran nombre de pales; les seves aplicacions van destinades generalment al bombament d'aigua.

Les aero-turbines ràpides tenen un TSR alt i el nombre de pales tendeix a ser menor. Solen ser tripales TSR=4 i en alguns casos bipales TSR = 8, i fins i tot se n’han dissenyat i construït amb una sola pala.

21

Page 22: Treball de Recerca Aerogeneradors

4.7 - TIPUS D’AEROGENERADORS

Hi ha dos tipus d’aerogeneradors, els d’eix vertical i els d’eix horitzontal.

Eix horitzontal:

Les aero-turbines d'eix horitzontal se solen classificar segons la seva velocitat de gir o segons el nombre de pales que porta el rotor i es classifiquen en ràpides i lentes; les primeres tenen un nombre de pales no superior a 4 i les segones en poden tenir fins a 24.

L'hèlix pot presentar dos tipus de posicions enfront del vent, com són:

a) “Barlovento upwind”, en què el vent ve de front cap a les pales, tenint el sistema d'orientació darrere

b) “Sotavento downwind”, en la qual el vent incideix sobre les pales de manera que aquest passa primer pel mecanisme d'orientació i després actua sobre l'hèlix.

Figura 4.7

4.7.1 TIPUS DE TURBINES D’EIX HORITZONTAL22

Page 23: Treball de Recerca Aerogeneradors

TRIPALA

És el més emprat en l'actualitat, consta de 3 pales col·locades formant 120º entre si. Tots els rotors amb tres o més pales tenen la propietat favorable del moment d’inèrcia constant del rotor. Els rotors amb menys pales no la tenen. Una turbina eòlica amb rotor de tres pales no té cap moment d'inèrcia quan gira, per tant, no indueix càrrega a l'estructura de la turbina, un avantatge considerable perquè no necessita components addicionals costosos. La velocitat punta de la pala amb 70 m/s és relativament baixa, la qual cosa és un avantatge important sobre el soroll.

Els avantatges i els inconvenients són els següents:

Avantatges.

Un gir més suau i uniforme a causa de les propietats del seu moment d'inèrcia, de manera que es minimitza la inducció d'esforços sobre l'estructura.

Gira a menor velocitat que els rotors monopala i bipala, disminuint els esforços de la força centrífuga, el nivell de vibracions i la producció de soroll.

Desavantatges.

És més costós que el bipala i monopala.

Figura 4.4.7.1

23

Page 24: Treball de Recerca Aerogeneradors

BIPALA

Diferent del rotor tripala, una turbina bipala té per als moviments de la góndola (quan gira), una inèrcia en contra respecte de l'eix longitudinal de la torre. Això causa càrregues addicionals que només poden ser reduïdes per un balanceig del centre. Aquesta unió a la meitat del Cardan (element mecànic que permet la transmissió de rotació entre dos arbres) és perpendicular a l'eix del rotor i l'eix longitudinal de les dues pales del rotor.

Desavantatges;

El balanceig del centre és costós

Figura 4.4.7.2

24

Page 25: Treball de Recerca Aerogeneradors

MONOPALA

Tenint només una pala, aquests aerogeneradors precisen un contrapès en l'altre extrem per equilibrar-se. La velocitat de gir és molt elevada. El seu gran inconvenient és que introdueixen en l'eix uns esforços molt variables, cosa que escurça la vida de la instal·lació.

Pel seu disseny pendular, aquesta turbina compensa, acumula i restitueix les variacions provocades per les ràfegues de vent, per disposar de tres sistemes mecànics passius (rotor oscil·lant, tren de potència pendular i góndola autotimonant) que atenuen així els màxims de potència i canvis de direcció amb lleugeres càrregues estructurals.

Figura 4.4.7.3

25

Page 26: Treball de Recerca Aerogeneradors

4.7.2 EIX VERTICAL

En el cas d'aerogeneradors d'eix vertical, el generador se situa a la base de la torre, per tant, el manteniment es fa més senzill i les pales estan acoblades al llarg de la torre i perpendiculars al sòl.

Avantatges: són autoorientables i aprofiten el vent sigui quina en sigui la direcció.

Desavantatges: Tanmateix, aquests tipus d'aerogeneradors requereixen estar motoritzats, ja que els perfils i la simetria de les seves pales no permeten l’autoarrencada.

Alguns exemples:

AEROGENERADOR SAVONIUS

Anomenat així a causa del seu creador, l'enginyer finlandès Savonius ( inicis del segle XX). Els generadors del tipus Savonius són normalment de baixa potència.

Encara que tenen un baix rendiment a causa de la seva simplicitat, són molt utilitzats per subministrar energia a aparells molt aïllats i de poc consum. La seva construcció és molt simple: consta de dos semicilindres col·locats en forma de S. El seu funcionament també és simple, ja que la part còncava recull la força del vent, mentre que l'altre semicilindre dóna la cara convexa que té menys resistència al vent i d'aquesta forma el vent fa girar el rotor i aquest, el generador, que normalment es troba a la part inferior.

Els avantatges i els inconvenients són els següents:

Avantatges:

De fàcil disseny i construcció.

En ser d’eix vertical, no requereix un sistema d’orientació al vent. Per tant, accepta millor els vents turbulents que no pas els d’eix horitzontal

Frenen automàticament en arribar a certa velocitat límit ( no requereix sistema de frens)

No requereix gaire manteniment.

Inconvenients:

Depenen del recurs eòlic.

26

Page 27: Treball de Recerca Aerogeneradors

El Savonius té una baixa eficiència en l’aprofitament del recurs eòlic, amb coeficients de potència propers al 15-20%.

Figures 4.7.2.1

27

Page 28: Treball de Recerca Aerogeneradors

AEROGENERADOR KLIUX ZEBRA

• Dissenyat per aprofitar l’energia del vent en entorns urbans.

• Primer aerogenerador d’eix vertical amb rotor model Savonius fabricat en poliuretà expandit, subministrat per Bayer Material Science.

• Dissenyat i fabricat a Espanya.

AVANTATGES DEL PRODUCTE

• No necessita gestor d'arrencada.

• Manteniment mínim.

• Absència de soroll.

• S'integra perfectament en entorns urbans i aïllats.

• Respectuós amb la fauna, sense risc per a les aus.

APLICACIONS:

• Residències particulars, turisme rural, instal·lacions esportives, agricultura i

ramaderia, muntanya, col·legis, parcs municipals, polígons industrials i carreteres.

• Perfecte suport publicitari ,gran visibilitat i notorietat.

Figura 4.4.7.2

28

Page 29: Treball de Recerca Aerogeneradors

DARRIEUS

Els aerogeneradors Darrieus estan basats en el rotor d'eix vertical desenvolupat per l'enginyer francès Georges Darrieus. Aquests rotors presenten la particularitat que no s'engeguen sols. Cal donar-los una velocitat inicial mitjançant un motor o rotors Savonius acoblats.

Pel seu aspecte, en els països de parla anglesa se'l coneix per l'”eggbeater”, és a dir, la batedora. Tot i que n'hi ha un bon nombre d'instal·lats, se n'ha anat abandonant la construcció. (Figura 4.4.7.3)

Avantatges:

- En ser d'eix vertical no necessita de cap mecanisme d'orientació.

- Alt rendiment, de l'ordre del 40 %.

- L'alternador està situat al peu, cosa que en facilita la instal·lació i el manteniment.

Inconvenients:

- Necessiten un dispositiu d'arrencada.

- Resulta complicat elevar aquest tipus de rotor per tal d'aprofitar una major velocitat del vent.

- El seu disseny i construcció és més aviat complex.

- No hi ha massa desenvolupament sobre aquest tipus de rotors.

Figura 4.4.7.3

29

Page 30: Treball de Recerca Aerogeneradors

MULTIPALA AMERICANA

Els molins multipala es basen en una roda dotada de raigs, de forma semblant a les rodes d'una bicicleta. Sobre la roda es munta un bon nombre de pales, d'aquí ve el nom de multipala.

La disposició de les pales és de forma guerxa per tal d'obtenir l'hèlix. El vent provoca el que s'anomena una empenta ascensional que fa elevar la pala, provocant el gir de l'hèlix.

El seu ús més freqüent és el bombeig d'aigua del subsòl per a usos agrícoles.

En podem trobar encara en masies i en els darrers anys se n'han recuperat bastants a les zones del Penedès i la Conca de Barberà. També se'ls anomena molins aiguaders.

Curiositats sobre els molins multipala

Aquesta popularitat de què gaudeixen a Amèrica del Nord fa que se'n fabriquin per a decorar jardins. Fins i tot hi ha empreses que els ofereixen per a aplicacions molt curioses: insuflar aire a un estany per oxigenar-lo i espantar els talps que fan malbé la gespa o fer un bombeig d'aigua amb finalitats decoratives.

Figura 4.4.7.4

30

Page 31: Treball de Recerca Aerogeneradors

5- POTÈNCIA D’UNA TURBINA

5.1 POTÈNCIA EÒLICA.

La potència eòlica del vent ens dóna un primer límit per la potència d’un aerogenerador.

Per calcular-la, s’avalua l’energia cinètica (Ek) de la massa d’aire (m) que travessa la secció de les pales de l’aerogenerador.

Potència=Treballtemps

=Ecinètica

t=

12.mv2

t

Esquema del cilindre d’aire que travessa el rotor en un temps t (Figura 5.1.2)

El Volum és Vol = A · d

Com la massa d’aire que travessa l’àrea A (Figura 5.5.1) és un temps t és, per tant, la Potència Eòlica = ½ ρ A V3 i podem dir que la potència depèn de la velocitat del vent al cub.

31

Figura 5.1.1 Figura 5.2.2

m = ρ · A · d, i d = V · t [on V és la velocitat del vent]

Potència = ½(ρ·A·d)V2/t = ½ ρ A V2 (d/t) = (d/t) = ½ ρ A

Page 32: Treball de Recerca Aerogeneradors

La fracció de l’energia del vent que una turbina converteix en la pràctica en energia mecànica de rotació s’anomena “coeficient de potència” (Cp) d’aquesta turbina. Així:

Potència d’una turbina = Cp · Potència del vent = Cp · 1/2ρ A V3

S’observa que una turbina mai no pot extreure tota l’energia cinètica del vent, perquè l’aire no para en travessar la turbina ( es a dir, Cp < 1).

La seva velocitat disminueix de v1 a v2, com mostra la figura . Per conservació de la massa, si la velocitat disminueix, la secció del tub augmenta.

Figura 5.1.3

32

Page 33: Treball de Recerca Aerogeneradors

5.2LLEI DE BETZ.

La llei de Betz va ser formulada per primera vegada pel físic alemany Albert Betz el 1919. El seu llibre " Wind - Energie ", publicat el 1926, proporciona bona part del coneixement que en aquell moment es tenia sobre energia eòlica i aerogeneradors.

Imaginem un tub de corrent com l’esquematitzat en la figura, es suposarà que, a Barlovento de l'hèlix, l'aire posseeix una velocitat v1 ( velocitat del vent sense pertorbar ) a la secció transversal A1 , mentre que la velocitat v2 es correspon amb la secció transversal A2 a Sotavento de la zona en què es troba l'hèlix . En el pla que conté l’hèlix , la secció transversal batuda per la mateixa( àrea del rotor) és un disc imaginari d’àrea A, sent v la velocitat del vent en la mateixa( velocitat útil). Assimilarem l’hèlix a un disc d’àrea A que capta part de l’energia de l’aire en moviment que hi arriba, és a dir, v2<v1. No obstant, és obvi que v2 mai no és zero ( no es pot extreure tota l’energia cinètica de l’aire).

El cabal màssic (Qm = densitat • cabal= ρ · Q) és constant( conservació de la massa), és a dir:

Qm=ρ • Q= ρ•A1•v1 = ρ• A2•v2 = ρ· A· v (1)

(Això explica que el tub de corrent s’expandeixi després de la turbina, com v2<v1, llavors A2 > A1)

On s’han utilitzat els arguments i variables definides dues transparències enrere.

v= d∆ t

33

Page 34: Treball de Recerca Aerogeneradors

Per la 3a llei de Newton:

Força del vent = - Força sobre el vent = -m (v2 – v1)/∆ t = ρ•Av(v1– v2)

De les dues equacions anteriors (2) i (3) tenim que:

I per tant, recordant que : (v1 – v2)2 = (v1 – v2)( v1 + v2), obtenim la quarta equació.

És a dir, en el model de Betz, i perquè les equacions (2) i (3) siguin consistents entre si, la velocitat del vent en el pla de l'hèlix (velocitat útil) és la mitjana de les velocitats del vent abans i després.

Inserim aquest resultat en, per exemple, l'expressió (2) per a la potència de la turbina, i fem el canvi v2 = bv1 ( on 0 < b < 1) :

(*on b és el coeficient de potència de la turbina)

El valor màxim per a la potència s'obté fent:

34

Page 35: Treball de Recerca Aerogeneradors

Que ens deixa amb l’equació:

On b té dues solucions, per una banda:

- b = -1 (sense sentit físic)

- b = 1/3 v2 = (1/3) v1

De manera que la potència màxima és ( substituint la solució en (5) ) :

És a dir, el coeficient de potència màxim (ideal) d'una turbina eòlica (veure dues transparències enrere) és:

Amb la llei de Betz, un aerogenerador com a màxim pot convertir el 59% de l'energia cinètica en energia mecànica.

35

Page 36: Treball de Recerca Aerogeneradors

5.3LLEI EXPONENCIAL DE HELLMANN

Llei exponencial de Hellmann; la velocitat del vent varia amb l’altura, seguint aproximadament una equació de tipus estadístic, coneguda com la llei exponencial de Hellmann, de la forma;

Equació de la llei exponencial de Hellmann

vh=v10(h

10)∝

On:

- Vh és la velocitat del vent a l’altura h.

- V10 és la velocitat del vent a 10 metres d’altura

- α és l’exponent de Hellmann que varia segons la rugositat del terreny, i que els seus valors vénen indicats en la taula d’exponents de Hellmann (Figura 1.1)

En la taula s’indiquen les variacions de la velocitat del vent amb l’altura segons la llei exponencial de Hellmann.

Variació de la velocitat del vent (Capa límit) amb l'altura sobre el terreny, segons la llei exponencial de Hellmann.

36

Page 37: Treball de Recerca Aerogeneradors

6- PART PRÀCTICA

6.1OBJECTIUS

Aquest projecte està basat en la creació d’una màquina eòlica capaç de generar energia elèctrica i carregar un smartphone, que suposa uns 5V constants que han d’arribar sempre al port USB.

En aquest projecte hem dissenyat dues turbines, una d’eix vertical i l’altra d’eix horitzontal, que comparteixen el mateix alternador, per poder comparar els seus rendiments.

Els dos aerogeneradors que poden canviar el seu eix de rotació per tal d’aprofitar el vent d’una manera o una altra.

La creació d’aquesta maqueta té l’objectiu de potenciar l’energia eòlica, aprofitant una energia neta, renovable i respectuosa amb el medi ambient seguint la normativa ecològica actual.

Els aspectes negatius de fer aquesta maqueta és principalment el temps que es tarda a fer-la, però em vaig dir “Per què no? A mi m’agrada muntar coses i experimentar amb les coses d’àmbit tecnològic”.

De manera que em vaig decidir a fer-la i n’estic molt content, del resultat.

6.2MOTIVACIONS:

El que em va motivar a fer aquest treball va ser la unitat 3 del llibre de tecnologia, que tracta dels tipus d’energies i les seves aplicacions en la vida quotidiana. Vaig veure que vam estudiar l’energia eòlica molt per sobre, però em va semblar que aquell tipus d’energia mereixia un estudi més profund i en la meva opinió era de les més simples que ens ofereix la natura. Per tant, vaig dir-li a l’Àlex, el meu professor, que m’encantaria fer el treball de recerca sobre aquell tema i li va semblar molt bé.

A l’estiu vaig començar a buscar informació, vaig anar fixant-me en els aerogeneradors que veia durant els meus viatges amb cotxe i vaig començar a aprofundir en el tema amb la voluntat de construir-ne un.

Quan les classes es van acabar, vaig prendre alguns apunts i anava dissenyant la maqueta. Cada cop tot es complicava més del que em pensava, com per exemple a l’hora de construir el circuit electrònic, buscar la forma de fer el generador, alguna eina que em faltava per tallar la fusta...

Finalment crec que me n’he sortit força bé.

37

Page 38: Treball de Recerca Aerogeneradors

6.3METODOLOGIA

Abans de començar a realitzar res, el primer és mentalitzar sobre què faré, pensar quin és l'objectiu i com poder complir-lo, visualitzar mentalment una idea principal sobre la qual basar-se per poder començar. Un cop amb la idea en ment és aconsellable representar-la manualment a través de dibuixos ràpids o esbossos que, encara que siguin poc precisos, siguin suficients perquè es pugui veure el concepte sobre el qual es treballarà i poder actuar en funció d’això.

Amb la idea principal ja representada gràficament, la primera intenció d'aquest treball va ser una altra representació més vistosa, l'elaboració de la maqueta. Una maqueta a escala és la millor opció per demostrar el funcionament de l’aerogenerador.

No vaig voler fer-la amb materials gaire contundents, perquè la màquina és bastant fràgil i vaig optar per la fusta i el niló en quasi tota la maqueta excepte el pal de subjecció i l’eix de rotació, que són de ferro.

Vaig decidir treballar amb la fusta sabent que les pales, la góndola, el penell i la resta no són d’aquest material i va ser un avantatge enorme ja que era molt fàcil tallar-la i treballar-hi i em va estalviar molt temps.

El motiu per què no he treballat amb peces metàl·liques és perquè el generador té 8 imants de neodimi i no volia que el magnetisme entre les peces i els imant causessin problemes.

Un cop detallades totes les prestacions de la màquina, cal comprovar la seva eficàcia i el seu ús, per poder establir si realment s'havien assolit els objectius i saber si la idea d’aquest projecte podria tenir algun objectiu significatiu i útil en el món de l’energia eòlica.

38

Page 39: Treball de Recerca Aerogeneradors

7- FASE DE DISSENY

7.1 INTRODUCCIÓ

Per realitzar el disseny dels aerogeneradors s’han realitzat càlculs i dimensionament de l'aerogenerador prèviament a la seva fabricació i tots els seus components, en unes condicions de vent de laboratori - taller, de vent constant ( ventilador amb velocitat = 3,6 m/s)

En l'estudi de les condicions internes es consideren totes les condicions que estan relacionades amb la màquina, és a dir, característiques pròpies de l'equip, com podria ser el disseny de les pales, el suports, el sistema de transmissió, l’alternador...

Per tant, l'estudi de totes aquestes característiques serà necessari per poder determinar les condicions de disseny i el dimensionament d’aquest aerogenerador.

7.2PER QUÈ DISSENYAR DOS AEROGENERADORS TANT DIFERENTS?

He volgut comparar un aerogenerador d’eix vertical (Savonius) i un d’eix horitzontal (tripala) que compartissin el mateix alternador.

Els aerogeneradors d'eix vertical no són gaire comuns ja que tenen un rendiment menor que els d'eix horitzontal.

El disseny de l’aerogenerador Savonius es deu al fet que dins dels aerogeneradors d'eix vertical es tracta del més senzill en fabricació i instal·lació. Així doncs, necessita un manteniment mínim, té un cost baix, aconsegueix arrencar amb poc vent i no necessita un sistema d'orientació del vent, ja que funciona amb vents de qualsevol direcció.

No obstant això, també té inconvenients, com el fet que gira a una velocitat molt petita, de manera que de vegades necessitarà sistemes multiplicadors

L’aerogenerador tripala és molt més conegut, de major rendiment i més senzill de fabricar a petita escala; està dotat de sistema d’orientació i presenta menys problemes de vibracions que l’anterior.

A petita escala, aquest generador necessita sistemes multiplicadors.

39

Page 40: Treball de Recerca Aerogeneradors

7.3 CÀLCUL DE POTÈNCIA DE LES TURBINES

7.4OBTENCIÓ DE DADES

Hem considerat:

ρ=1,25 Kgm3

v=4 ' 1,3 ' 8 ,3 ' 5ms

μtsavonius=51 % .(80 rpmamb trasnsmissió156 rpmenbuit )

μtsavonius=50 % .(21rpmambtrasnsmissió 42 rpmenbuit )

μe=86 %

7.3.2.1- CÀLCUL DEL COEFICIENT D’EFICIÈNCIA

Amb diferents proves de vent hem obtingut els resultats en la taula següent:

40

SAVONIUS

velocitat

font de vent

Velocitat

vent davant

60 cm

Velocitat

vent darrere

60 cm

rpm Cp b=

Núm 1 4,1m/s 1,3m/s 174 0,59 0,31

Núm 2 3,8m/s 0,9m/s 120 0,58 0,23

Núm 3 3,5m/s 0,4m/s 108 0,54 0,11

Page 41: Treball de Recerca Aerogeneradors

En tots dos casos el coeficient d’eficiència val:

C p=0,57

I tenint en compte que el rotor Savonius té un coeficient màxim d’eficiència Cp=0,21, i el rotor Tripala té un coeficient màxim d’eficiència Cp=0,5 segons la gràfica 7.3.2.1 podem veure que el disseny de l’estructura del nostre aerogenerador Savonius fa augmentar l’eficiència notablement, i l’aerogenerador Tripala també.

Gràfica 7.3.2.1: Coeficient d’eficiència del rotor (Cp)

41

TRIPALA

Velocitat

font de vent

Velocitat

vent davant

60 cm

Velocitat

vent darrere

60 cm

rpm Cp b=

Núm 1 4,1 1,5 42 0,59 0,36

Page 42: Treball de Recerca Aerogeneradors

7.3.1 TURBINA SAVONIUS

En l’esquema del nostre ROTOR Savonius el rotor consta dels dos semicanals de PVC de 200 mm. on les dues meitats fixades a l’estructura de fusta tenen un espai entre elles (distància e en la Fig. 3.1-2). L’altura del rotor a H = 87 cm, i diàmetre d = 20 cm, aproximadament) i l’espai entre les dues d haurà de tenir una amplada de e = 6 cm.

42

Page 43: Treball de Recerca Aerogeneradors

Fig. 3.1-2 Definició de les mesures D, d i e

D=34 cm

D= 20 cm

E = 6 cm

7.3.1.1 POTÈNCIA D’UN GENERADOR SAVONIUS

La potència del vent ve determinada per la següent expressió:

Pv=12ρA v3

No obstant això, com ja s'ha explicat amb anterioritat, per la Llei de Betz és impossible que una màquina extregui tota aquesta potència del vent.

De les velocitats del vent, davant i darrere de l’aerogenerador s'obté:

v1 = 4,1 m/s

v2 = 1,3 m/s

Així, la potència extreta per l'aerogenerador dependrà del seu coeficient de potència:

Paerogenerador=C p .12ρA v1

3Paerogenerador=n tngC p .12ρA v1

3

A més d'això, la potència final que s'aconseguirà depèn també dels rendiments tant del generador elèctric com del sistema de transmissió. Pel que fa a l'expressió de la potència elèctrica aconseguida final, quedarà de la manera següent:

43

Page 44: Treball de Recerca Aerogeneradors

Psavonius ¿Cp ·12 . ρ .H ·D · v3

Psavonius ¿0,57 · 12

.1,25 .0,87 ·0,34 · v ³=0,105 . v ³ [W]

Psavonius = 0,105 · (3,6)3 = 4,89 W

7.3.2 TURBINA TRIPALA

En l’esquema del nostre ROTOR Tripala el rotor consta de tres hèlix de fusta de 69 cm de longitud.

44

Page 45: Treball de Recerca Aerogeneradors

7.3.1.2 POTÈNCIA D’UN GENERADOR TRIPALA

La potència del vent ve determinada per la expressió següent:

Pv=12ρA v3

No obstant això, com ja s'ha explicat amb anterioritat, per la Llei de Betz, és impossible que una màquina extregui tota aquesta potència del vent.

De les velocitats del vent, davant i darrere de l’aerogenerador s'obté:

v1 = 4,1 m/s

v2 = 1,3 m/s

Així, la potència extreta per l'aerogenerador dependrà del seu coeficient de potència:

Paerogenerador=C p .12ρ A v1

3Paerogenerador=nt ngCp .12ρA v1

3

A més d'això, la potència final que s'aconseguirà depèn també dels rendiments tant del generador elèctric com del sistema de transmissió. Pel que fa a l'expressió de la potència elèctrica aconseguida final quedarà de la manera següent:

Ptripala ¿Cp ·12 . ρ . π ·R2 ·v3

Ptripala ¿0,50 · 12

.1,25 .1,5· v ³=0,46 . v ³ [W]

Ptripala = 0,46 · (3,6)3 = 21 W

45

Page 46: Treball de Recerca Aerogeneradors

7.3.3 DETERMINACIÓ DEL RENDIMENT DEL GENERADOR ELÈCTRIC

A la sortida del generador Savonius hem obtingut Pelèctrica = V·I = 44 V · 0,003 A = 0,132 W

Pelèctrica= Psavonius · μe · μt · μg = 0,0028 · v³ [W]

0,132=4,89 · 0,86 · 0,51 · μg

μg = 6,15 %

Pelèctrica = 0,0028 • v³ [W]

A la sortida del generador Tripala hem obtingut Pelèctrica = V·I= 15,1 V · 0,003 A = 0,045 W

Pelèctrica= Ptripala · μe · μt · μg = 0,0028 · v³ [W]

0,045=21 · 0,86 · 0,5 · μg

μg = 0,5 %

Pelèctrica = 4,5• v³ [W]

46

Page 47: Treball de Recerca Aerogeneradors

7.5 CONDICIONS INTERNES

Les condicions internes que es van tenir en compte són el disseny de les pales, el disseny de l’alternador i el disseny del sistema de transmissió. També es consideraran altres aspectes importants, com el disseny de l'estructura de suport, el pes de l'aerogenerador o la facilitat per intercanviar l’alternador segons l’aerogenerador que s’estigui utilitzant.

Les principals característiques de l'aerogenerador són les següents:

- Posició horitzontal de l'eix principal (tipus tripala).

- Posició vertical de l'eix principal (tipus Savonius).

- Generador síncron d'imants permanents intercanviable.

- Sistema de transmissió mitjançant politges i corretges.

47

Page 48: Treball de Recerca Aerogeneradors

7.6 DISSENY DEL ROTOR DE L’AEROGENERADOR

7.6.1 SAVONIUS

El rotor consta de dues pales semicirculars, ambdues de PVC, ja que es tracta d'un material lleuger, cosa important a considerar, perquè tot el pes de les mateixes l'haurà de suportar l’eix i l'estructura de subjecció. A més, a causa de les dimensions tan grans que va tenir l'equip, com més lleugers siguin tots els seus components millor. Les pales aniran unides a les tapes de fusta d’aglomerat de 1,5 cm mitjançant una unió encastada i encolada.

Per al disseny de les pales s'ha tingut en compte que el coeficient de potència de l'aerogenerador depèn en gran mesura de la forma que tinguin aquestes.

48

D i sse ny d e l’ a e ro gene r a d or Savonius. D i sse ny d e l’ a e ro gene r a d or tripala.

Page 49: Treball de Recerca Aerogeneradors

Les pales del Savonius tenen una forma cilíndrica tallada per la meitat. Amb un tub de PVC de mides 200X870 mm com el de la Figura 7.5.1 que es tallarà per la meitat s’obtindran les pales d’aquesta màquina. (Figura 7.5.2)

Per tal de fixar les pales del Savonius es fa un esquema sobre unes planxes d’aglomerat que determinen la zona on es posaran. Es fan dues diagonals per saber on és el centre de gravetat, principalment perquè la màquina no giri malament i així s’eviten les vibracions. Amb un compàs es dibuixa la forma cilíndrica per ambdós costats.

49

Figura 7.5.1 Figura 7.5.2

Page 50: Treball de Recerca Aerogeneradors

La planxa consisteix en un tros de fusta quadrada de 310x310 mm i amb un retolador i compàs es delimita la zona on aniran col·locades les pales semicirculars. (Figura 7.5.3)

S’han de fer 2 planxes per la tapa superior i inferior. Posteriorment es talla per on el compàs ha marcat i s’encola. (Figura 7.5.4).

50

Figura 7.5.3 Figura 7.5.4

Page 51: Treball de Recerca Aerogeneradors

Hem arrodonit les tapes per facilitar el gir i augmentar-ne la seguretat.(Figura 7.5.5)

7.6.2 HAWT TRIPALA

Les pales són una de les peces fonamentals en aquesta maqueta, ja que sense, el rotor no giraria i no es produiria corrent en el circuit.

Les pales estan fetes de fusta de DM de 4mm de gruix a partir de les mides de la Figura 7.5.6

Per començar vaig buscar unes planxes de fusta que van ser el pilar de la construcció, ja que va ser el primer material amb què vaig començar a treballar.

51

Figura 7.5.5

Page 52: Treball de Recerca Aerogeneradors

52

Figura 7.5.6

Page 53: Treball de Recerca Aerogeneradors

Hem fet un plànol sobre com havien de ser les pales amb AutoCad. (Figura 7.5.7 i Figura 7.5.8)

53

Figura 7.5.7

Figura 7.5.8

Page 54: Treball de Recerca Aerogeneradors

7.5.2.1 EL PROCÉS DE SERRATGE.

Amb una serra de Vogir (Figura 5.9), una eina utilitzada per tallar arbitràriament corbes i dissenys amb formes especials en peces de fusta, es procedeix a tallar la fusta ja marcada amb les mides. (Figura 5.10)

7.5.2.2 MILLORES EN LES PALES

Del Savonius no hem tocat res més, de la turbina HAWT hem decidit fer unes pales noves, més aerodinàmiques, més estètiques i més grans, ja que com més secció hi hagi, l’aire colpejarà més les pales i en conseqüència, hi haurà més revolucions. (Veure plànol núm. 4)

54

Figura 7.5.9 Figura 7.5.10

Page 55: Treball de Recerca Aerogeneradors

Figura 7.5.11

Figura 7.5.12

7.7DISSENY DEL BOIX I ROTOR DE LA PALA

Per tal de fer el Boix (Figura 7.6.1) s’utilitzarà el torn. Les mides del boix són; 7,5 cm de radi i 5cm d’altura i només es ficarà al final de l’eix de la tripala.

55

Page 56: Treball de Recerca Aerogeneradors

El Rotor de la pala consisteix en una peça circular de niló ( feta amb el torn), amb un forat al mig per passar la vareta roscada , que uneix l’eix amb les pales.

(Figura 7.6.2)

Es dóna una inclinació als tres forats per tal d’assegurar que s’extreu la quantitat òptima de l’energia a partir del vent.

Figura 7.6.2

56

Figura 7.6.1

Page 57: Treball de Recerca Aerogeneradors

7.8DISSENY DE L’EIX

Per fer l’eix de rotació, és imprescindible aconseguir tres varetes roscades, una pel Savonius, de mides (100x0,8) cm i les altres dues per la tripala, de mides (15x0,8) i (25x0,8) cm.

1- L’eix principal del Savonius està format per una vareta que està unida a dos peces de niló com les de la Figura 7.7.1, on hi ha un rodament a cadascuna per tal d’aconseguir una bona rotació i unes pèrdues mínimes.

2- L’eix principal de la turbina HAWT es divideix en dos mitjançant una multiplicadora.

Per l’eix on es troben les bobines es crea una peça circular que unirà l’altre eix amb una goma.(Figura 7.7.2)

Per l’altre eix s’han de construir dos suports que ajudaran aquest a evitar vibracions.

Els suports són de niló, fets amb el torn i s’uneixen a la góndola mitjançant 4 caragols. (Figura 7.7.3)

57

Figura 7.7.1

Page 58: Treball de Recerca Aerogeneradors

Figura 7.7.2

58Figura 7.7.3

Page 59: Treball de Recerca Aerogeneradors

7.9DISSENY DE L’ESTRUCTURA DE SUBJECCIÓ.

SAVONIUS

En tractar-se d’un equip de dimensions tan grans exposat a vents normals, serà necessària una estructura que serveixi de subjecció. Aquesta estructura consta de fustes d’aglomerat de 15 mm, disposades de la manera següent:

Consta de dues parets laterals de 1220x470 mm. i la tapa superior i la inferior, de 500x470 mm.

59

Page 60: Treball de Recerca Aerogeneradors

Imatge 7.8.1: Disseny de l’estructura de subjecció.

60

Page 61: Treball de Recerca Aerogeneradors

La subjecció de l’equip es dóna de la forma següent:

A la part superior de l’eix hi ha una peça de niló com la de la Figura 7.7.1 amb un coixinet que li permet un gir molt bo.

A la part de baix es troba la mateixa peça, però hi té una bola d’acer per evitar pèrdues. El suport està subjecte mitjançant un coixinet axial, el qual es troba cargolat i centrat a la fusta de la part inferior de l’estructura. D’aquesta manera l’aerogenerador, encara que hi hagi vents forts està ben subjecte.

Hem preferit que l’estructura de fusta vagi a terra, sense cap suport addicional ja que pesa bastant i seria molt complicat de subjectar.

A la Figura 7.8.2 es veu el suport de la part inferior, que aguanta el pes de les pales i les planxes de fusta.

61

Figura 7.8.2

Page 62: Treball de Recerca Aerogeneradors

8- GENERADOR ALTERNADOR D’IMANTS PERMANENTS.

Disseny del generador elèctric:

El generador elèctric converteix l’energia mecànica en energia elèctrica. Es tracta d’un generador de flux axial, síncron, d’imants permanents, que treballa a 462 rpm i és capaç de aconseguir 45V en corrent altern.

8.1 ROTOR I ESTATOR

El generador està format pel rotor i l’estator:

El rotor és la part mòbil del generador que està constituït per dos discos d’acrílic de 7mm de gruix i 120mm de diàmetre.

Quan les dues peces estan fetes se’ls dóna un acabat rodó i posteriorment, amb una broca de 20mm, es fan vuit forats a cada làmina per poder fixar els vuit imants de neodimi permanents de Nd-Fe-B del tipus N50. (Figura 8.1)

L’estator és la part fixa del generador. Amb els plànols fets es procedeix a fabricar la peça de niló, feta amb la fresadora, que té 8 ranures per ficar les bobines amb el fil de coure ja bobinat i per la part superior s’uniran els fils de les bobines soldats i s’hi enganxaran amb cinta adhesiva. (Figura 8.2)

Figura 8.1 Figura 8.2

62

Page 63: Treball de Recerca Aerogeneradors

8.2 CONFIGURACIÓ

La configuració completa del generador es mostra en la Figura 8.2

Figura 8.2

El disc superior del rotor és a l’eix que es troba unit a la politja petita del sistema de transmissió. (Per situar-nos hem pintat dins l’estator una petita estrella).

Per tant, la politja, l’eix i el rotor superior giren conjuntament. El disc inferior es troba unit mitjançant uns cargols i les rosques al disc superior. D’aquesta manera s’aconsegueix que el disc inferior giri amb el superior i que a més a més, la distància entre ambdós sigui la necessària per al correcte funcionament del generador.

L’estator està unit a la góndola per dos cargols situats a la part inferior d’una estructura de fusta situada damunt de la góndola.

Els discos del rotor tenen un diàmetre de 120 mm i el de l’estator també de 120 mm. Tant la forma del generador com les dimensions estan estudiades per tal que puguin col·locar-se correctament els 8 imants permanents de 20 mm de diàmetre i 5 mm de gruix.

63

Page 64: Treball de Recerca Aerogeneradors

8.3 CONSTRUCCÓ DE LES BOBINES

En acabar l’estator amb i els vuit forats fets, es construeixen les bobines. En l’estator se situaran 8 bobines de mides (20x20) mm com en l’esquema de la Figura 8.3 i Figura 8.4

Per fer les bobines s’utilitza niló i amb el torn se’ls va donant forma a cadascuna, que han de ser exactament iguals perquè càpiguen a l’estator.

Per bobinar s’ha utilitzat el torn amateur. Se li ha fet un forat a la cada una de les vuit bobines, s’ha enganxat al plat del torn i amb el regulador de velocitat s’ha fet girar a poc a poc comptant-ne les voltes.

El fil de coure que s’utilitza és de 0,1 mm2 de secció i en aquest cas hi caben 4300 voltes a cada bobina.

64

Figura 8.3 Figura 8.4

Page 65: Treball de Recerca Aerogeneradors

Procés de fabricació de les bobines.

Quan s’acaba una bobina es deixa el fil per on s’ha començat i el del final, que suposen el signe positiu i negatiu. Per això es marca amb retolador una de les corones exteriors de la bobina.

65

Page 66: Treball de Recerca Aerogeneradors

Bobina de 20x20mm Procés de bobinatge.

Un cop les 8 bobines estan, preparades es col·loquen a l’estator. (Figura 8.5 i Figura 8.6)

Figura 8.5 Figura 8.6

66

Page 67: Treball de Recerca Aerogeneradors

De les 8 bobines, quatre estan connectades en sèrie i les altres quatre també en sèrie de manera que podem connectar dos parells de quatre bobines en paral·lel o bé connectar les 8 bobines en sèrie.

Hem aconseguit que per cada 4 bobines obtenim 22V a cada parell a la velocitat de 4,1m/s amb la turbina Savonius.

8.4 GENERACIÓ DE TENSIÓ ALTERNA.

CÀLCUL DE LA FEM I RENDIMENT ELÈCTRIC.

Els experiments de Faraday, Henry i altres van demostrar que si el flux magnètic que travessa un circuit varia en el temps, en el circuit elèctric s'indueix una força electromotriu (fem). La llei de Faraday estableix la relació entre la fem induïda i la variació del flux magnètic.

ε=−dΦdt

=−d·N·B·S·cos (ω·t )

dt=N·B·S·ω·sin (ω·t )

Aquest fenomen constitueix el principi de funcionament dels alternadors, que són la principal font de producció de corrent elèctric. El flux magnètic (φm = N·B·S·cosθ) s'obté en el nostre cas pel moviment dels imants prop de la bobina.

67

Page 68: Treball de Recerca Aerogeneradors

L'àrea i l'angle romanen constants, però el camp magnètic variarà ja que els imants roden i estan col·locats alternadament N-S-N-S fent augmentar i disminuir la intensitat del camp magnètic en el temps (B).

Per això farem girar uns imants amb una velocitat angular ω constant.

Els imants de neodimi N50 proporcionen un camp magnètic B que és constant de 0,087 T i tenint 4300 voltes de fil i 8 bobines perpendiculars al camp magnètic, es pot expressar: φm = N·B·S·cosθ on S és la superfície de la bobina d’1cm de radi.

Atès que l'imant gira a velocitat constant, l'angle θ que formen el camp magnètic i l'espira varia uniformement amb el temps; θ = ω·t.

D'aquesta manera s'aconsegueix un flux magnètic canviant i per tant s'indueix una fem a l'espira. La velocitat angular és de ω = 48,8rad/s

(el generador gira a 462 rpm).

El valor de la fem, ε, ens el dóna la llei de Faraday:

68

Page 69: Treball de Recerca Aerogeneradors

A la figura s'ha representat l'evolució de la fem en funció del temps.

La fem varia de manera sinusoïdal amb el temps, és a dir, el sistema és un generador de corrent altern. La freqüència del senyal generat és igual a la freqüència de gir de les bobines ω i el valor màxim de la força electromotriu és:

ε màx.= N·B·S·ω

ε = 45,48·sin(48,38·t)V

ε màx. = 8·4300·0,087·48,38·π·0,012=

=45,48Vηelèctric = εreal/εteòric ·100 = 39/45,48 = 86%

69

2R D R D 2D Grau Br Distància z z Tot. Br/220 5 0,01 0,005 0,01 N50 1,4T 10 0,01002 0,7mm mm m m m T mm m

B= 0,087 Tesla B= 872 Gauss

Page 70: Treball de Recerca Aerogeneradors

8.5 DISSENY DEL SISTEMA DE TRANSMISSIÓ

SAVONIUS

Es tracta d’un sistema de transmissió mitjançant politges i corda.

Aquest sistema és necessari, ja que la velocitat de gir de l’eix principal de l’aerogenerador és molt petita, la qual cosa significa que necessita augmentar aquesta velocitat perquè el generador elèctric giri a una velocitat adequada que li permeti funcionar correctament.

La politja gran té un diàmetre de 66 mm i la petita, de 1 2 mm. D’aquesta manera s’aconsegueix una relació de transmissió de i ≈ 5,5

Imatge 8.5.1: Disseny del sistema de transmissió del Savonius.

70

Page 71: Treball de Recerca Aerogeneradors

TRIPALA

Amb el sistema de tripala també hem muntat un sistema de transmissió amb un factor de multiplicació de i ≈ 4 ja que la reducció conté dues politges. La politja gran té un diàmetre de 45 mm i la petita, d’11 mm.

Imatge 8.5.2: Disseny del sistema de transmissió

71

Page 72: Treball de Recerca Aerogeneradors

9- ELECTRÒNICA. DISSENY DEL CIRCUIT.

OBJECTIUS:

El circuit ha estat dissenyat per carregar la bateria de plom i posteriorment aprofitar-ne l’energia elèctrica per carregar el mòbil.

9.1MATERIALS I COMPONENTS.

1- Soldador.

2- L’estany.

3- Decapant.

72

Page 73: Treball de Recerca Aerogeneradors

4- Díodes. 4 Díodes.

5- Un Condensador de 63V 1000µF.

6- 2 Reguladors de tensió. (7805)

73

Page 74: Treball de Recerca Aerogeneradors

7- Fusible 2A i porta fusible.

8- 2 Interruptors.

9- USB Femella.

74

Page 75: Treball de Recerca Aerogeneradors

10- Cable de secció.

11- Placa de soldadura.

12- Díodes LED. (5 Díodes LED).

75

Page 76: Treball de Recerca Aerogeneradors

13- Bateria de 12V.

9.2 ESQUEMA I FUNCIONAMENT DEL CIRCUIT.

76

Page 77: Treball de Recerca Aerogeneradors

En el diagrama ens entra corrent altern de Vmàx. = 45 V i f=7,7 Hz.

Per convertir el corrent altern en corrent continu hem introduït en l’esquema un pont rectificador que conté 4 díodes en una posició predeterminada, els quals funcionen de la manera següent:

77

Page 78: Treball de Recerca Aerogeneradors

El corrent altern té una forma sinusoïdal. En passar el semicicle positiu per l’ànode D2, surt pel càtode directament al positiu.

Ara bé, quan passa el semicicle negatiu, aquest entra pel càtode D1, però no pot passar per D2, ja que el sentit s'inverteix per ser voltatge negatiu. Això mateix passa amb l'extrem del transformador de baix, amb D3 i D4.

Tot plegat, la corba sinusoïdal queda rectificada i s’anul·la la part negativa, com podem veure en la figura 9.1

Figura 9.1

78

Page 79: Treball de Recerca Aerogeneradors

En el circuit hi ha 2 commutadors.

El commutador (1) tancat de la figura deixa passar el corrent il·luminant uns díodes LED connectats en paral·lel a 5 V gràcies al regulador de tensió 7805.

Si obrim el commutador (1) ,el corrent es desvia passant per un fusible de 2A i carrega la bateria de 12V.

Amb el commutador (1) obert carregant la bateria, es prem el commutador (2) que agafa el corrent de la bateria i carrega el mòbil a 5 V constants.

79

Page 80: Treball de Recerca Aerogeneradors

10-PLÀNOLS

PLÀNOL 1: CONJUNT I ENSAMBLAMENT DE LA TURBINA SAVONIUS.

PLÀNOL 2: CONJUNT ESTATOR, ROTOR I RODAMENT 20mm. (SAVONIUS)

PLÀNOL 3: CONJUNT DE ROTOR DEL GENERADOR I ENSAMBLAMENT.

PLÀNOL 4: CONJUNT TURBINA HAWT, DETALL BOIX I DETALL HÈLIX.

PLÀNOL 5: SUPORT EIX HAWT.

PLÀNOL 6: GENERADOR D’IMANTS, DETALL DEL SUPORT, DETALL DE L’EIX I

DE LA POLITJA

PLÀNOL 7: SISTEMA DE GUIATGE HAWT I SUPORT.

80

Page 81: Treball de Recerca Aerogeneradors

81

Page 82: Treball de Recerca Aerogeneradors

82

Page 83: Treball de Recerca Aerogeneradors

83

Page 84: Treball de Recerca Aerogeneradors

84

Page 85: Treball de Recerca Aerogeneradors

85

Page 86: Treball de Recerca Aerogeneradors

86

Page 87: Treball de Recerca Aerogeneradors

87

Page 88: Treball de Recerca Aerogeneradors

88

Page 89: Treball de Recerca Aerogeneradors

11 PRESSUPOST

El pressupost

12.CONCLUSIONS

89

MATERIAL PREU

BATERIA 12V 21,05€

5 DÍODES LED 0,2€

4 DÍODES 0,27€

CONDENSADOR 63V/1000μF 0,35€

2 REGULADORS DE TENSIÓ (7805) 1,25€

FUSIBLE + PORTAFUSIBLE 1,5€

2 INTERRUPTORS 1€

USB FEMELLA 1€

PLACA SOLDADURA 0,30€

TOTAL DE FUSTA 12,8€

NILÓ TOTAL 11€

IMANTS NEODIMI 14,32€

EIXOS 2€

RODAMENTS 20X8mm. 10€

PRESSUPOST TOTAL 77€

Page 90: Treball de Recerca Aerogeneradors

Les conclusions que trec al haver realitzat aquest projecte són totes satisfactòries.

A pesar d’haver tingut certes dificultats en alguns aspectes m’he n’he sabut sortir.

Aspectes positius:

- He pogut conèixer com és un taller amb moltíssimes màquines i eines.

- He après conceptes tant com de fusteria, mecànica com d’electrònica.

- He après a soldar amb estany, a utilitzar un torn, una fresadora

- He sabut espavilar-me en els moments complicats.

Aspectes no tant positius:

- La turbina tripala no ha sortit com esperava ja que li costa arrencar i té poc

rendiment. Podria fer moltes millores en l’aerodinàmica de l’hèlix

- Treballar amb una maqueta a escala és bastant complicat ja que es

necessita molt temps.

- M’he quedat bloquejat en alguns casos per decidir algunes coses.

- Moltes idees no han sortit com el fet de repetir peces més d’un cop.

- Tenia previst acabar el treball molt abans però a causa d’algunes

complicacions s’ha atraçat bastant.

- A internet tot allò que proposen, de vegades, no es prou cert i condueix a

solucions inadequades.

A partir d’una idea prèvia de comparar dos aerogeneradors, he anat seguint el

procés de disseny de màquines. He fet esborranys. M’he decidit per una idea, de

les moltes que tenia. De vegades costa seleccionar una solució definitiva.

El procés de fabricació ha estat més difícil del que em pensava i ha suposat hores

extra de la planificació programada, tot i que tenia els plànols de allò que havia de

dur a terme.

El més difícil ha estat sens dubte muntar el generador de corrent altern ja que vaig

haver de fer 2 estators abans de fabricar la peça bona. M’he quedat molt sorprès

de la força magnètica dels imants de neodimi, els quals vaig comprar a Singapur.

90

Page 91: Treball de Recerca Aerogeneradors

En general intentar ubicar el mateix generador elèctric en dos turbines m’ha fet

desenvolupar l’enginy i n’estic prou satisfet de com l’he solucionat.

La construcció de les turbines m’ha endinsat en conèixer una part de la ciència

relacionada amb les energies alternatives, en conèixer lleis (Llei de Betz, Llei de

Faraday) etc. que permeten relacionar valors reals amb fórmules empíriques.

I sobre tot vaig sentir molta emoció quan les turbines van girar per primer cop, quan

l’alternador va produir electricitat,... i molts altres moments.

13 BIBLIOGRAFIA

91

Page 92: Treball de Recerca Aerogeneradors

http://www.bellera.org/molins/aerogeneradors.htm

http://www.cenidet.edu.mx/subaca/web-elec/tesis_mc/196MC_rod.pdf

http://academica-e.unavarra.es

http://www.uclm.es

http://www.agenergia.org

http://www.centroenergia.cl

http://www.sepielectrica.esimez.ipn.mx

ca.wikipedia.org/wiki/Aerogenerador

92