Análisis de los Generadores de Accionamiento Directo en Tecnología Undimotriz

Proyecto Fin de Carrera

Daniel Gómez León Julio 2010

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Línea de Negocio Energías del Mar 3

Índice 1 Introducción .................................................................................................... 8

2 Recurso .......................................................................................................... 10

2.1 Localización mundial del recurso undimotriz .............................................. 10

2.2 Caracterización de las Olas ........................................................................ 13

2.3 Hidrodinámica........................................................................................... 24

3 Energía Undimotriz ...................................................................................... 29

3.1 Clasificaciones........................................................................................... 29

3.1.1 Distancia a la costa ................................................................................. 29

3.1.2 Los principios de captación ..................................................................... 29

3.1.3 Los sistemas de conversión ..................................................................... 33

3.1.4 Forma geométrica .................................................................................. 40

3.2 Retos ........................................................................................................ 41

4 Aspectos No Tecnológicos ........................................................................... 42

4.1 Costes ...................................................................................................... 42

4.1.1 Costes de instalación .............................................................................. 43

4.1.2 Costes de mantenimiento ....................................................................... 44

4.1.3 Coste de la energía ................................................................................ 44

4.1.4 Precio de venta ....................................................................................... 45

4.1.5 Seguro, propiedad intelectual, normalización y certificación .................... 46

4.2 Aspectos Sociales y Medioambientales ...................................................... 47

4.3 Aspectos Administrativos / Normativos ...................................................... 53

5 Análisis de los Generadores de Accionamiento Directo ............................ 55

5.1 Generador Eléctrico Lineal ......................................................................... 63

5.1.1 Dispositivos con generadores eléctricos lineales ....................................... 80

5.2 Generador Eléctrico Rotativo ..................................................................... 89

5.2.1 Dispositivos con generadores eléctricos rotativos ..................................... 96

5.3 Comparativa Generador Eléctrico Lineal / Rotativo ................................... 102

6 Conclusiones ............................................................................................... 119

7 Referencias .................................................................................................. 122

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Línea de Negocio Energías del Mar 4

Índice de tablas Tabla 1.- Parámetros característicos del oleaje. ........................................................... 16

Tabla 2.- Expresiones de la potencia del oleaje para los distintos espectros .................. 19

Tabla 3.- Formas asintóticas de las funciones hiperbólicas ........................................... 22

Tabla 4.- Clasificación de las distintas zonas de oleaje. ................................................ 22

Tabla 5.- Relaciones en teoría lineal. [CEM, 2001] ....................................................... 23

Tabla 6.- Principales tipos de control de fase ............................................................... 28

Tabla 7.- Tipos de dispositivos de movimiento oscilatorio ............................................ 32

Tabla 8.- Comparativa de las características de las distintas turbinas ........................... 35

Tabla 9.- Dispositivos con PTO de circuito hidráulico ................................................... 37

Tabla 10.- Dispositivos que emplean turbinas hidráulicas ............................................ 38

Tabla 11.- Comparación por tipos de PTO .................................................................. 39

Tabla 12.- Coste estimados totales de la instalación .................................................... 43

Tabla 13.- Costes estimados dela energía producida ................................................... 44

Tabla 14.- Precios de referencia [RTA, 2010] ............................................................... 46

Tabla 15.- Retos mediambientales de la eólica offshore .............................................. 51

Tabla 16.- Tabla resumen con los datos del experimento [Danielsson, 2003] ............... 66

Tabla 17.- Características de los generadores comparados. [Mueller, 2002] ................ 70

Tabla 18.- Comparativa de generadores longitudinales y transversales a distintas velocidades [Mueller, 2002]........................................................................................ 71

Tabla 19.- Clasificación de las pérdidas en máquinas eléctricas [Sanz, 2002] ............... 74

Tabla 20.- Distintos tipos de inducción del generador hibrido ..................................... 86

Tabla 22.- Evolución en el diseño del prototipo [Vermaak, 2010] ................................ 87

Tabla 23.- Comparación de generadores lineales ...................................................... 105

Tabla 24.- Comparación de generadores rotativos .................................................... 107

Tabla 25.- Comparación de tecnologías por estado de desarrollo .............................. 109

Tabla 26.- Comparación de tecnologías por ratio potencia número de componentes 110

Tabla 27.- Comparación de tecnologías por utilización de equipamiento estándar .... 110

Tabla 28.- Comparación de tecnologías por utilización de anclajes estándar.............. 111

Tabla 29.- Comparación de tecnologías según su eficiencia ...................................... 112

Tabla 30.- Comparación de tecnologías por estrategia de supervivencia .................... 113

Tabla 31.-Clasificación de las tecnologías según su consistencia en el desarrollo ....... 114

Tabla 32.-Clasificación de las tecnologías según la experiencia del equipo investigador ............................................................................................................................... 114

Tabla 33.- Comparación de las tecnologías por su potencial en la reducción de costes ............................................................................................................................... 116

Tabla 34.-Comparación de tecnologías por su capacidad de adaptación ................... 116

Tabla 35.-Clasificación de la tecnología por sus labores de instalación y mantenimiento ............................................................................................................................... 117

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Índice de figuras Figura 1.- Potencias teóricas estimadas de las energías oceánicas en Twh/año. [IEA-OES, 2007] .......................................................................................................................... 8

Figura 2.- Estimación anual mundial de la potencia del oleaje mundial [Cruz, 2008] .... 10

Figura 3.- Medida de la potencia del oleaje (kW/m) en función de la latitud para los meses de enero (azul) y julio (rojo). [Cruz, 2008] ......................................................... 11

Figura 4.- Estimación del potencial del oleaje en Europa [Aquaret, 2010] .................... 11

Figura 5.- Flujo de energía asociada al oleaje [Agencia Andaluza de la Energía, 2009] . 12

Figura 6.- Movimiento de las partículas de agua al paso de la onda horizontal. [Rodrigues, 2008] ...................................................................................................... 13

Figura 7.-Influencia de la profundidad en la reducción de las orbitas. [EPRI, 2005] ....... 14

Figura 8.- Mar de viento (SEA). [Medina, 2009] .......................................................... 14

Figura 9.- Mar de fondo (SWELL). [Medina, 2009] ...................................................... 14

Figura 10.- Clasificación de las olas en función de la causa que la genera y la energía almacenada en ella. [Fernández, 2002] ....................................................................... 15

Figura 11.- Onda no lineal. [Fernández, 2002] ............................................................ 15

Figura 12.- Parámetros de una onda ideal. [Medina, 2009] ......................................... 17

Figura 13.- Potencia por frente de ola en función de su altura y periodo. [Vining, 2005] ................................................................................................................................. 18

Figura 14.- Representación de una onda de Airy ......................................................... 20

Figura 15.- Grupo de olas. [Medina, 2009] ................................................................. 21

Figura 16.- Curvas adimensionales del comportamiento frente al periodo de la ola, en una boya con PTO de amortiguación lineal. [Falçao, 2010] ......................................... 27

Figura 17.- Distintas zonas para el estudio de las olas. [García, 2007] .......................... 29

Figura 18.- Sistema de columna de agua oscilante ...................................................... 30

Figura 19.- Boya de columna de agua oscilante (BBDB). [Falçao, 2010] ....................... 31

Figura 20.- Ejemplo de dispositivo de rebosamiento flotante. [Cruz, 2008] .................. 31

Figura 21.- Dispositivo Wave Dragon en el mar. .......................................................... 32

Figura 22.- Movimientos relativos provocados por el oleaje. ........................................ 32

Figura 23.- Dispositivo Pelamis flotando en el mar ...................................................... 33

Figura 24.- Esquema del dispositivo Manta-SeaRay ..................................................... 33

Figura 25.- Clasificación de los sistemas de conversión. .............................................. 34

Figura 26.- Esquema de trabajo de una turbina Wells ................................................. 35

Figura 27.- Esquema de trabajo de un circuito hidráulico ............................................ 36

Figura 28.- Esquema de trabajo de una turbina de alta presión (izqda) y baja presión (dcha) ........................................................................................................................ 37

Figura 29.- Posibles tipologías de transmisión mecánica .............................................. 39

Figura 30.- Clasificación de los dispositivos por su forma geométrica. [Cruz, 2008] ..... 40

Figura 31.- Reparto comparativo, porcentualmente, de costes de un proyecto eólico onshore (izquierda) y offshore (derecha). .................................................................... 43

Figura 32.- Estado de madurez de distintas tecnologías [IEA-OES, 2009] ..................... 45

Figura 33.- Posicionamiento de la tecnología a analizar .............................................. 55

Figura 34.-Teorema de Ampère. Circuito toroidal con dos materiales .......................... 57

Figura 35.- Circuito magnético serie ........................................................................... 58

Figura 36.- Característica Φ=Φ (F) ............................................................................... 59

Figura 37.- Circuito magnético serie-paralelo y circuito "equivalente" eléctrico ........... 59

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Figura 38.- Enlaces de flujo. a) Concatenación uniforme b) Concatenación variable ... 60

Figura 39.- F.e.m. inducida por transformación ........................................................... 60

Figura 40.- F.e.m. inducida por movimiento ................................................................ 61

Figura 41.- Adaptación del generador rotativo a lineal. [Cruz, 2008] ........................... 63

Figura 42.- Descomposición de las fuerzas electromagnéticas en fuerza normales (rojo) y tangenciales (verde) ................................................................................................... 64

Figura 43.- Comportamiento de las fuerzas electromagnéticas.................................... 64

Figura 44.- Disposición Apilada (Izqda) y Superficial (Dcha) de los Imanes Permanentes [Danielsson, 2003] ..................................................................................................... 65

Figura 45.- Vista en detalle del flujo magnético de la disposición superficial [Danielsson, 2003] ........................................................................................................................ 66

Figura 46.- Comparación de las fuerzas cogging para un q=1 y q=9/8. [Ivanova, 2004] 67

Figura 47.- Influencia sobre la curva de potencia de ambos diseños. [Ivanova, 2004] ... 68

Figura 48.- Sección de un generador de flujo longitudinal .......................................... 69

Figura 49.- Esquema de funcionamiento del generador de flujo transversal ................ 70

Figura 50.- Esquema de funcionamiento del generador de núcleo de aire. .................. 71

Figura 51. Diagrama simplificado del campo magnéticos en un en un generador lineal tubular en cada una de las 3 fases. [Pirisi, 2009] ......................................................... 72

Figura 52.- Conceptos no tubulares de tipología de núcleo de aire.[Veermark, 2010],[Mueller, 2007] ................................................................................................ 72

Figura 53.- Distribución del flujo magnético en el generador lineal híbrido. [Vining, 2009] ........................................................................................................................ 73

Figura 54.- Curvas de calentamiento y enfriamiento. Constante de tiempo térmica [Sanz, 2002] ........................................................................................................................ 76

Figura 55.- Constante de tiempo térmica a diferentes temperaturas finales. [Sanz, 2002] ................................................................................................................................. 76

Figura 56.- Comparación de bobinas solapas (Izqda) y no solapadas o concentradas (Dcha). [Randewijk, 2007] .......................................................................................... 78

Figura 57.- Estudio del movimiento del rotor lineal [Thorburn, 2007] .......................... 78

Figura 58.- Señal de salida en bornas de un generador eléctrico lineal [Boström, 2009] 79

Figura 59.- Comparación de la onda de salida de cinco (izqda) y diez (dcha) dispositivos. [Thorburn, 2007] ....................................................................................................... 79

Figura 60.- Ejemplos de clúster móviles ...................................................................... 80

Figura 61.- Esquema de funcionamiento (izqda), disposición de los imanes (centro) y sistema de bobinado del estator (dcha) ...................................................................... 81

Figura 62.- Ilustración del dispositivo Seabased y el generador octogonal bajo investigación. ............................................................................................................. 82

Figura 63.- Generador eléctrico lineal de tipo TAPM ................................................... 82

Figura 64.- Dispositivo L-10 [Brekken, 2009] ............................................................... 83

Figura 65.- Visión interior del dispositivo TE5 .............................................................. 83

Figura 66.- Principio de operación del TE5 e imanen de su transporte a la zona de pruebas. .................................................................................................................... 84

Figura 67.- Esquema de funcionamiento del Snapper ................................................. 85

Figura 68.- Esquema de funcionamiento del generador híbrido ................................... 86

Figura 69.- Prototipo de la nueva tipología de air-cored y detalle de bobinado. ........... 87

Figura 70.- Estructura de una máquina síncrona monofásica elemental de polos salientes (izqda) y de rotor liso (dcha) ....................................................................................... 90

Figura 71.- Máquina trifásica síncrona elemental ........................................................ 90

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Figura 72.- Diferentes tipos de inductores con imanes permanentes ........................... 91

Figura 73.- Diferentes configuraciones de máquinas de imanes permanentes .............. 92

Figura 74.- Determinación del punto de trabajo del iman ........................................... 92

Figura 75.- Características de desmagnetización de diferentes materiales .................... 93

Figura 76.- Forma de las curvas par-ángulo para máquinas de imanes superficiales, insertados y radiales ................................................................................................... 94

Figura 77.- Esquema de conexiones de un generador undimotriz de imanes permanentes a frecuencia variable .................................................................................................. 95

Figura 78.- Descripción de los componentes del CFTS ................................................. 96

Figura 79.- Detalle de los generadores y dimensiones ................................................. 98