Diseño de generador para producción de energía eléctrica en alta mar

Abstract

El objetivo del proyecto es calcular y diseñar los elementos que forman un generador de 5 MW para emplearlo en aerogeneradores offshore con un ±10% de la misma durante la operación del aerogenerador. Para ello se plantea la consecución de los siguientes objetivos: 1. Estudio de los distintos tipos de generadores y las herramientas que se plantean para el desarrollo de los mismos. 2. Diseño de tanto la estructura básica como en detalle del rotor. 3. Diseño de tanto la estructura básica como en detalle del estator. 4. Determinación y simulación del circuito magnético. 5. Determinación de los parámetros de los esquemas equivalentes y de simulación. 6. Optimización del diseño obtenido durante las fases anteriores.

En la actualidad, la inmensa mayoría de los generadores que se emplean en los parques eólicos son de máquina de inducción empleando multiplicadora. Una vez analizadas todas las posibles opciones (rotor de jaula de ardilla y rotor devanado para la máquina asíncrona e imanes permanentes o de polos inductores de corriente continua en el caso de máquina síncrona) se opta por emplear una máquina síncrona de imanes permanentes de flujo radial al emplear tanto menores velocidades como volumen. En cuanto al estudio económico, se comprueba que la máquina tiene una alta rentabilidad y un payback de 6 años en el peor de los casos. Si comparamos con otras tecnologías que se emplean, no es la más competitiva en cuanto a inversión inicial, pero sí que puede ser competitiva en el largo plazo al contar con menos elementos de desgaste y un variador de frecuencia que permite operar a velocidades reducidas.

The project’s objective is to calculate and design the elements that make up a 5 MW generator in order for it to form part of offshore wind turbines with ±10% of that power during their operation. For this purpose, the following objectives will be developed: 1. Study of different types of generators and the tools proposed for their development 2. Design of both the basic and detailed structure of the rotor 3. Design of both the basic and detailed structure of the stator 4. Determination and simulation of the magnetic circuit 5. Determination of the parameters of the equivalent and simulation schemes 6. Optimization of the design obtained in the previous phases As of now, the immense majority of generators utilized in wind farms are of induction machines employing speed multipliers. Once all the possinle options are analyzed (squirrel cage rotor and winding rotor for the asynchronous machines and permanent magnets or of direct current inductor poles in the case of synchronous machines), a synchronous machine with permanent radial flow magnets is chosen because it uses both lower speeds and volume. In the economic study, it is verified that the machine has a high profitability and a payback of 6 years in the worst case scenario. If we compare with other technologies that are used, it is not the most competitive in terms of initial investment, but it can be competitive in the long term because it has fewer wear elements and a frequency inverter that allows it to operate at reduced speeds.