En este Capítulo se presenta un resumen del diseño y montaje de algunas de las partes necesarias para la puesta en marcha de un aerogenerador donado por CUBASOLAR al Centro de Estudio Energéticos y Tecnologías Ambientales (CEETA) de la Facultad de Ingeniería Mecánica. El Trabajo de Diploma de Bravo (2004) contiene la labor técnico y de investigación realizado para instalar dicho aerogenerador el cual se instaló en la cubierta de la caja de elevadores de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la UCLV, el objetivo de su instalación es tanto fines docentes como de investigación así como de divulgación para fomentar del desarrollo de la energía eólica en nuestro país.
1.2-Descripción del aerogenerador donado por CUBASOLAR al CEETA
El cuerpo del aerogenerador, el cual se nombró CEETA-SOLAR es de procedencia china, tiene entre sus partes un generador eléctrico y un sistema de posicionamiento el cual tiene en su interior el colector de escobillas. Siendo sus datos de chapa:
Generador: alternador trifásico de 12 V. Diámetro del rotor = 3,6 m.
Potencia = 1 kW. Corriente = 83,4 A.
Velocidad nominal del viento = 9,8 m/s. Peso = 52 kg.
Entre las características constructivas relevantes se encuentra que el eje del generador que está desfasado respecto al eje de rotación del aerogenerador, característica que permitió la utilización del sistema de orientación y protección por momento de cola (SOPMC), aprovechando que la máquina carecía de sistema de orientación.
El generador está acoplado directamente al multiplicador cuyo árbol de baja velocidad se instala directamente al rotor, Figura 1.1. El multiplicador del aerogenerador está compuesto por una corona de 33 dientes y con diámetro exterior de 140 mm, mientras que el piñón multiplicador consta de 11 dientes y diámetro exterior de 54 mm, combinación que aporta una relación de
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transmisión igual a 3. En el árbol que contiene la corona se fija el cubo del rotor por medio de una chaveta para transmitir el torque y una unión roscada en su extremo para la fijación y seguridad. El árbol gira sobre dos cojinetes de bolas, 108307K con un diámetro interior de 35 mm y exterior de 80 mm, y mientras que el otro pertenece a la serie 180304K de diámetro interior de 20 mm y exterior de 52 mm.
Figura 1.1: Aerogenerador chino donado por CUBASOLAR. Bravo (2004) El sistema de posicionamiento está compuesto por un sistema de rodamiento encargado de soportar toda la carga del aerogenerador, el colector de escobillas entre la parte móvil y la parte fija, permite que el aerogenerador rote 360° alrededor del eje vertical transmitiendo la corriente eléctrica generada en el generador hacia los conductores que conectan la máquina eólica a la red o al banco de baterías.
En el interior del cuerpo se encuentra un eje hueco donde se monta la pista interior de los rodamientos, por este pasan los conductores de corriente, además de un tubo de pequeño diámetro por el que se introduce el cable de acero encargado de accionar la cola para su puesta en bandera, dicho cable solo se utiliza para detener el aeromotor en caso de mantenimiento o tormenta muy fuerte.
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1.3- Valoración del diseño y construcción del aerogenerador CEETA- SOLAR
Bravo (2004) diseñó las partes y piezas necesarias para instalar el aerogenerador chino donado por CUBASOLAR, sin embargo, la máquina después de varios años de trabajo presentó problemas que determinaron su salida de funcionamiento, razones que determinaron que en este trabajo se realiza una valoración del estado técnico del aerogenerador que permitiera su puesta en funcionamiento.
1.3.1- Valoración del diseño del rotor del aerogenerador
El rotor del aerogenerador CEETA-SOLAR está compuesto por dos partes fundamentales, el cubo del rotor y las palas; en el cubo se fijan las palas y mediante este se acopla el rotor al árbol del multiplicador. Bravo (2004) siguió las indicaciones de los fabricantes de la máquina e instaló un rotor de tres palas, Figura 1.2. Las razones que determinaron tal decisión es que el momento de este tipo de rotor de tres palas es casi nulo cuando el rotor está girando. Todos los rotores con tres o más palas tienen esta favorable característica de no inducir sobre la estructura cargas variables, debido a la distancia de la palas, lo que deviene en una simplificación estructural y reducción en los costos de fabricación, tanto del rotor como de la torre y cimentación.
Figura 1.2: Rotor del aerogenerador diseñadas por Bravo (2004)
Bravo (2004) diseñó las palas para el rotor del aerogenerador CEETA-SOLAR, no siendo posible su construcción por problemas de suministro de insumos
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para la construcción de las mismas, por lo que se decidió utilizar las palas del rotor de la cola de un helicóptero MI-24, donadas por la Defensa Aérea Antiaérea de las Fuerzas Armadas Revolucionarias (DAAFAR. Estas palas a diferencia de las diseñadas específicamente para el aerogenerador son rectas. Bravo (2004) plantea que las mismas cumplen con el parámetro de longitud, aunque eran más anchas y para esta aplicación representaban un elevado peso, lo cual aumenta el par de arranque del aerogenerador disminuyendo la velocidad de giro del rotor, característica no satisfactoria en máquinas eólicas. Esta diferencia de peso de las palas de helicóptero MI-24 respecto a las diseñadas por Bravo (2004) es elevado lo que constituye un aspecto desfavorable en el rotor que se instaló.
Las palas del rotor de cola del MI-24 son fabricadas con un perfil simétrico
NACA 23015, con un alto efecto de sustentación, aspecto favorable para su instalación en aerogeneradores debido a que la rotación de este tipo de máquina de eje horizontal se basa en la utilización de la fuerza de sustentación. El autor considera que a pesar de todos estos elementos argumentados por Bravo (2004) la instalación de las palas del MI-24 no fue satisfactoria, cuando se realiza un balance general debido al elevado peso y ancho de las palas conjuntamente los coeficientes de sustentación, son menores a los de las palas diseñadas por el propio Bravo (2004). El elevado peso originó cargas adicionales a los componentes de la estructura poniendo en peligro la misma por la elevada inercia del rotor cuando el viento soplaba a altas velocidades durante días de tormentas y en la estación del año de fuertes vientos.
El diseño de las palas presentado por Bravo (2004) corresponde con los parámetros del aerogenerador, el número de tres palas es correcto, debido a que generan poco ruido, el impacto visual es agradable, menores posibilidades de fatiga (respecto a los que utilizan una o dos palas), con un perfil variable en forma de alabe.
El funcionamiento del rotor depende en gran medida del sistema de orientación del aerogenerador, por lo cual es necesario una buena selección del mismo en dependencia del tipo de aerogenerador. Existen una amplia variedad de estos sistemas, los cuales van desde los más costosos debido a los sistemas eléctricos y electrónicos hasta los más rudimentarios y simples. En el caso del
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aerogenerador CEETA-SOLAR se instaló el sistema de orientación y protección por momento de cola, al ser este un sistema extremadamente simple en sus componentes, fabricación y mantenimiento, además de posibilidades de trabajar largos periodos de tiempo sin fallas.
1.3.2- Sistema de orientación por momento de cola (SOPMC)
Existen diferentes criterios para el diseño del sistema de orientación por momento de cola instalado en el aerogenerador CEETA-SOLAR, este se caracteriza por lograr que cuando la máquina alcanza la potencia máxima de diseño (aproximadamente a una velocidad del viento de 10 m/s), la cola ocupe una posición que permita que el rotor deje de estar frente al viento sin que la potencia caiga abruptamente, condición que permite seguir generando cerca de la potencia máxima sin que se destruya la máquina.
Bravo (2004) diseñó el del CEETA-SOLAR con un pivote de la cola inclinado, con la posibilidad de variar el ángulo del mismo respecto a la vertical entre 20º a 27º, valores que según Piggott (2001) son los adecuados para que el sistema gobierne adecuadamente la posición del rotor en dependencia de la velocidad del viento. Con esta característica se pretende lograr que la potencia del aerogenerador se mantenga casi constante cuando comience a salir el rotor del viento (levantar la cola). La acción de recuperación ó colocación del rotor también se logra con este sistema, cuando la velocidad del viento disminuye la cola cae suavemente por efecto de la gravedad y la resistencia del propio rotor al entrar en la corriente de viento, permitiendo que el aerogenerador comience a generar nuevamente en dependencia de la velocidad del viento.
Debido a la suavidad en su funcionamiento, simplicidad de construcción y las características de construcción del aerogenerador CEETA-SOLAR, se decidió utilizar el sistema de orientación y protección por momento de cola (SOPMC). El diseño del sistema instalado en la máquina CEETA-SOLAR permite variar el ángulo de pivote de la cola, condición que se utiliza para ensayar con diferentes configuraciones de la máquina sin tener que hacer modificaciones estructurales, este diseño permitirá establecer cuáles son las mejores condiciones de funcionamiento de las máquinas al utilizar los SOPMC. En la Figura 1.3 se muestra la forma geométrica del sistema de orientación
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destacándose la inclinación del pivote de la cola y la posibilidad de variar el ángulo de este respecto al eje vertical.
Figura 1.3: Vista lateral del aerogenerador CEETA-SOLAR. Bravo (2004) El diseño del SOPMC realizado por Bravo (2004) y la selección del tipo de sistema de orientación, en opinión del autor fueron acertados, debido a que este permite modificar el ángulo de trabajo de la cola y ser utilizado tanto con fines docentes como investigativos. Dada la forma en que está ensamblado, su mantenimiento u otra operación que necesite de su extracción se puede realizar con facilidad. La constitución del mismo tiene como característica relevante su elevada rigidez, debido a que está compuesto principalmente por placas y tuberías de acero y cojinetes de bolas.
A pesar de que este sistema cuenta con elementos adecuados para su utilización en pequeños aerogeneradores, debe tenerse en consideración que requiere de un sistema capaz de colocar la cola en posición de bandera, por lo tanto debe ser previsto tal sistema en la concepción de la máquina. En el
SOPMC del aerogenerador CEETA-SOLAR, el cálculo de sus dimensiones es extremadamente complicado por la cantidad de variables que influyen en su funcionamiento. El cálculo de los sistemas de orientación y protección por momento de cola son extremadamente complicados debido la cantidad de varibles que influyen sobre el mismo, para diseñar el sistema del CEETA- SOLAR Bravo (2004) se basa en experiencias empíricas de probas de tanteo y error realizadas por Piggott (2001), Gipe (2002) y otros; determinando utilizar
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los parámetros de área de la cola y longitud del pivote de la misma como una relación direccional respecto al área del rotor. Todas las partes que forma el sistema de orientación están fabricados con materiales que carecen de tratamiento galvánico provocando la rápida corrosión de los mismos, por lo que se requiere aplicar un tratamiento anticorrosivo periódicamente sobre todos estos componentes o sustituirlos por algunos con tratamiento superficial.
1.3.3- Torre del aerogenerador CEETA-SOLAR
El aerogenerador CEETA-SOLAR se instaló en la cubierta de la Facultad de Ingeniería Mecánica con el objetivo de sobrepasar en altura los obstáculos, como árboles y edificaciones del campus UCLV, otro motivo por el que se instaló en ese lugar, fue para facilitar la conexión eléctrica con el sistema fotovoltaico existente en la cubierta de la Facultad, es decir, tenerun sistema híbrido capaz de obtener energía de dos fuentes distintas y así poder suministrar electricidad a las instalaciones del CEETA.
Para la torre se utilizó un tubo de cinco metros de longitud, con un diámetro exterior de 115 mm. La torre cuenta en el extremo superior de una brida a la cual se fija el cuerpo del aerogenerador mediante cuatro tornillos M16 x 2, separados por un manguito de ocho milímetros de espesor, por razones geométricas del cuerpo del CEETA-SOLAR. La parte inferior de la torre se construyó a partir de una lámina de ocho milímetros de espesor y unida al tubo de la torre por soldadura. Esta se fija a otra placa por medio de cuatro tornillos M24 x 2 la que a su vez se encuentra acoplada por cuatro pernos M24 x 2 empotrados a una base de hormigón armado.
La base de la torre cuenta con un sistema de pivote, capaz de girar 90º desde la posición de trabajo, permitiendo ponerla horizontal. Esta particularidad facilita el izaje del aerogenerador de forma manual desde la cubierta de la caja de elevadores, el sistema ha sido útil para bajar la máquina ante la presencia de tormentas tropicales, Figura 1.4.
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Figura 1.4 Base de la torre del aerogenerador CEETA-SOLAR
El sistema de izaje de la torre tiene un inconveniente que durante la acción de bajarlo existe un punto en el cual no se tiene control sobre la torre del aerogenerador desde las cuerdas, esto ha provocado en dos ocasiones que el mismo caiga de forma abrupta sobre la cubierta del emplazamiento, apreciándose daños significativos el cubo del rotor.
La tubería que constituye la torre posee en la parte superior e inferior dos aperturas por donde se hacen pasar los conductores eléctricos del aerogenerador hacia su interior. En la Figura 1.5 se observa que el cierre del mismo se hace con una lámina, la cual no garantiza hermeticidad permitiendo la entrada y acumulación de agua y nidos de aves. Los cortes realizados para fabricar las aperturas generó el debilitamiento de la torre, esencialmente la que se encuentra en la base donde se genera mayor momento, no obstante durante la explotación de CEETA-SOLAR no sufrió ninguna falla debido a esta apertura.
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Figura 1.5: Apertura en la torre
En opinión del autor se realizó un adecuado diseño de la torre, esta cumple con las condiciones impuestas para la instalación del aerogenerador CEETA- SOLAR, desde el punto de vista geométrico garantiza la altura necesaria para poder manipularla manualmente para su izaje y bajada. La colocación de los tensores en la torre garantiza rigidez en el sistema permitiendo mayor seguridad. El sistema de izaje de la torre tiene el inconveniente ya analizado de un punto muerto a partir del cual no se tiene control sobre la torre del aerogenerador, sin embargo puede atenuarse bajando la torre lentamente y colocando soportes en la parte de debajo de la misma a partir de los 45º de inclinación respecto a un plano horizontal; en general es de fácil manipulación y ha presentado buena resistencia ante fuertes vientos.
La torre posee un sistema en su base que demanda de mantenimientos periódicos producto de la acumulación de agua, provocando la oxidación de los elementos allí en contacto.
1.3.4- Sujeción de las palas al cubo del rotor
La donación del aerogenerador por CUBASOLAR incluyó el cubo del rotor, Figura 1.6, el cual consistía en un disco de aluminio al que se le fijaban las tres palas del rotor y a su vez este se fijaba mediante una unión por chaveta al árbol de baja velocidad del multiplicador. Las modificaciones introducidas por Bravo (2004) incluyen la introducción de palas del rotor de cola de MI-24, las cuales
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tenían diferente características a las necesarias para máquinas eólicas. Para la instalación de las mismas fue necesario taladrar nuevos agujeros en el cubo
del rotor. Entre estas y el disco soporte se colocó una cuña encargada de
establecer el ángulo de ataque del perfil en el rotor, Figura 1.6.
Figura 1.6: Cubo del rotor
La forma de fijación de las palas seleccionadas por Bravo (2004) es rígida, sin embargo, tiene como inconveniente que en caso de necesitar variaciones del ángulo de ataque es necesario elaborar una nueva cuña para el nuevo ángulo, lo que hace al sistema inoperante para la investigación del comportamiento del rotor para diferentes ángulos de ataque de las palas. El disco utilizado como cubo de rotor es de aluminio, material que presenta baja resistencia a las vibraciones y de hecho su utilización en aerogeneradores es prohibida debido a su baja resistencia a la fatiga.
1.4- Conclusiones parciales
1- La instalación de palas del rotor trasero de helicóptero MI-24 en el aerogenerador CEETA-SOLAR no fue satisfactoria debido al elevado peso de las mismas y a los materiales con que estaba construido el cubo, en cambio las diseñadas por Bravo (2004) si se corresponden con los parámetros de diseño del aerogenerador.
2- Se considera que se realizó un buen diseño de la torre, la misma requiere de mantenimientos periódicos producto que en su base se acumula agua provocando corrosión de sus elementos.
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3- La selección del sistema de orientación y los elementos que lo constituyen, es el más adecuado para los parámetros de diseños del aerogenerador CEETA-SOLAR, este cumple con las condiciones de mantenimiento y de disciplina tecnológica existentes en nuestro país. 4- Se requiere de una revisión completa de todos los sistemas del
aerogenerador CEETA-SOLAR aun cuando estos no sufrieran fallas, debido a las condiciones de trabajo extrema que presentan estos equipos en su funcionamiento.