CONTROL ACTIU PITCH D'UN AEROGENERADOR PER MILLORAR EL RENDIMENT DAVANT VENTS FORTS I RÀFEGUES

(núm. expedient: 2019 LLAV 00003)

 

 

MEMBRES DE L’EQUIP

Dr. Ningsu Luo (científic responsable), Dr. Joaquim Vilà (científic emprenedor), Dr. Lluís Pacheco (mentor), Dr. Antoni Pujol (mentor)

OBJECTIU DEL PROJECTE

L'objectiu principal del projecte és demostrar la viabilitat del concepte "proof of concept" del Control Actiu Pitch (ACP) aplicat a un aerogenerador de baixa potencia (P<10Kw). Per fer-ho, es disposa d'un aerogenerador de 2.2Kw sense cap tipus de mecanisme de regulació. Cal remarcar que es troba instal·lat en un emplaçament ideal, en termes de recurs eòlic, i amb diferents fenomenologies com són la Tramuntana i la Marinada. L'aerogenerador és promogut per l'empresa Aula Ecogranja Vilà per il·luminar i bombejar aigua, com també per investigació amb la col·laboració de la UdG. El disseny del ACP està format per dues parts: mecanisme d'accionament mecànic i el sistema de regulació electrònic. Ambdues parts seran dissenyades conjuntament i es fabricarà un prototip que serà implementat a l'aerogenerador. Finalment el ACP serà testejat en les condicions de vent de l'emplaçament: Tramuntana i Marinada. Es posarà especial atenció en l'obtenció d'energia mitjançant les ràfegues de vent provocades per la Tramuntana.

TASQUES DEL PROJECTE

Tasca 1. Desmuntatge de l’aerogenerador i mesuraments: Inicialment es desmuntarà l’aerogenerador proposat per tal de fer el disseny del mecanisme actiu Pitch adaptat a la mecànica existent. Es mesuraran les geometries de tots els components per poder redissenyar el nou mecanisme adaptat.

Tasca 2. Dissenyar el mecanisme mecànic d’actuador: Del disseny existent, s’escolliran quins components són reutilitzats i quins són reemplaçats o mecanitzats a les noves especificacions. També es compraran els components o parts estàndards per muntar en el conjunt com per exemple l’actuador elèctric. 

Tasca 3. Dissenyar el sistema de regulació electrònic: Es dissenyarà el sistema electrònic de regulació conjuntament amb el disseny mecànic per tal d’incorporar totes les parts de control. Es comprarà tots els components electrònics, com sensors, controlador (micro-controlador), cablejat, etc.

Tasca 4. Mecanitzar les parts mecàniques: Es mecanitzaran les parts d’acord amb el disseny escollit. Es controlarà la qualitat del mecanitzat per tal de que les peces s’ajustin a les especificacions de tolerància dimensional, rugositat, etc. del disseny.

Tasca 5. Muntatge I testejar el mecanisme mecànic d’actuador: S’instal·larà el mecanisme mecànic per comprovar que s’adapta sense problemes a l’aerogenerador existent. A falta del sistema de regulació, es faran comprovacions mecàniques com per exemple, recorregut d’angle Pitch, calibració del mecanisme sense vibracions, etc.

Tasca 6. Muntatge de sensors i del sistema electrònic: S’instal·laran els sensors en el mecanisme dissenyat sensor de revolucions d’eix i desplaçament de l’eix de l’actuador, també l’electrònica de control I finalment es connectarà tot el cablejat.

Tasca 7. Testejar el Control Actiu Pitch (ACP): Una vegada tot el prototip estigui instal·lat en l’aerogenerador, es començarà la bateria de tests. Inicialment es comprovarà que tot el sistema funciona segons les especificacions de disseny. Posteriorment es començarà la bateria de tests amb les diferents fenomenologies de vent de l’emplaçament. Es posarà especial atenció en testejar el ACP per ràfegues de Tramuntana.

RESULTATS DEL PROJECTE

La tasca 1 duta a terme va consistir en desmuntar l’aerogenerador de 2,2 kW (diàmetre de pales 3,5 m) i aplicar un procés exhaustiu d’enginyeria inversa. Es van analitzar en detall tots els components del sistema i es va estudiar el principi de funcionament del dispositiu original. Entre d’altres aspectes, es va constatar el poc espai disponible a l’interior de la gòndola i la poca robustesa general del mecanisme existent. D’aquí vam concloure que: 1) molts dels elements que inicialment teníem previst instal·lar a la part superior de l’aerogenerador, s’haurien d’instal·lar a la base, amb un augment en la complexitat i cost del disseny elèctric/electrònic; 2) no es podrien reutilitzar gaires elements, fent que el cost total del disseny mecànic augmentés. L’anterior implicava que qualsevol error en el disseny del mecanisme de control actiu del pitch que, al provar-lo, necessités una modificació, comportaria un augment dels costos difícils d’assumir. Amb l’assessoria dels mentors, es va optar per fer un pas previ al disseny i construcció del mecanisme a escala completa (aerogenerador de 2,2 kW i 3,5 m de diàmetre). Aquest pas va consistir en fer una prova de concepte del disseny aplicat a un micro-aerogenerador (0,4 kW i 0,8 m de diàmetre)  assajat en un túnel de vent en condicions properes a la realitat. El Dept. d’Enginyeria Mecànica i de la Construcció Industrial de l’Escola Politècnica Superior de la Universitat de Girona va cedir l’aerogenerador de petita escala així com el túnel de vent obert incloent tota la instrumentalització necessària. D’aquesta forma, es va considerar que el petit cost associat a fer la prova de concepte aplicada al micro-aerogenerador seria més que raonable per la informació sobre la validesa tècnica del disseny que n’obtindríem.

La tasca 2 associada al disseny del mecanisme del moviment del pitch va haver d’incloure la validació amb un model a escala. Aquesta tasca 2 es va iniciar amb una proposta de disseny pensada per a l’aerogenerador de 2,2 kW. El disseny proposat consistia en un mecanisme de biela-manovella accionat linealment per un dispositiu de tipus jou escocès mogut axialment per una tija central. L’objectiu consistia en validar aquest disseny en l’aerogenerador de mides més petites. Es va desmuntar el micro-aerogenerador i es van prendre les mides adients per escalar el disseny anteriorment proposat. Cal remarcar que, l’element de referència en tot el procés de disseny va ser l’aerogenerador de 2,2 kW. Per tant, la prova de concepte amb el micro-aerogenerador no va pretendre millorar-ne el rendiment sinó observar-ne el comportament mecànic. Per això, es va reduir el nombre de pales del micro-aerogenerador de 6 (micro-aerogenerador e 0,4 kW) a 3 (aerogenerador de 2,2 kW). Per rapidesa i flexibilitat en futures modificacions, els mentors van aconsellar realitzar les peces d’aquest disseny mitjançant fabricació per deposició fosa. Els principals elements del disseny es van fer amb impressió 3D a partir de termoplàstic PETG. El mecanisme d’accionament del pitch es va muntar en el rotor del micro-aerogenerador i es va comprovar el seu correcte funcionament en condicions estàtiques.

,            

Figura 1. Micro-aerogenerador abans (esquerra) i després (dreta) de la implementació del mecanisme Pitch 3D-printed amb termoplàstic de color negra.

Per conèixer el funcionament en condicions dinàmiques, el micro-aerogenerador es va assajar en el túnel de vent obert sotmès a diferents velocitats. Aquests tests es van dur a terme al llarg de dues setmanes. La velocitat del vent incident es va variar en cinc valors, partint de 3 m/s fins superar els 8 m/s. En aquests casos, es va comprovar el funcionament del mecanisme amb angles de pitch variant des de 10º fins a 70º, essent aquest darrer cas clarament irreal però investigat per comprovar el comportament del mecanisme. Es van dur a terme estudis més detallats del comportament per a angles de pitch de 15º, 30º i 45º, variant la resistència de càrrega per tal de trobar la potència màxima assolida.

Figura 2. Resultats experimentals obtinguts amb el micro-aerogenerador de 0.4 kW en el túnel de vent.

L’anàlisi del comportament dinàmic del mecanisme va revelar un error en el disseny no detectable en l’estudi estàtic. En aquest cas, es tractava d’un error en el dimensionament de les guies de desplaçament del dispositiu de jou escocès que haurien de permetre, en tot moment, un desplaçament paral·lel al pla base del rotor. La detecció d’aquest problema va permetre refer el disseny amb èxit. En cas de no haver fet aquesta validació prèvia sota condicions de laboratori amb el model a escala, aquesta errada s’hagués reproduït en l’aerogenerador de 2,2 kW i hagués comportat una modificació laboriosa i molt més costosa. Amb la validació del mecanisme proposat, aquesta segona tasca, tal i com estava exposada a la memòria, també va permetre comprar l’actuador elèctric que satisfés els requisits de velocitat de desplaçament, cursa de la tija i força exercida.

En paral·lel al disseny del mecanisme, també es va dur a terme la tasca 3, que consistia en el disseny del sistema de regulació electrònic. Al llarg de les reunions setmanals que s’han dut a terme amb tots els membres del projecte, es va decidir optar per un sistema de PLC que actués com a màster amb tres esclaus basats en plaques electròniques amb microcontroladors integrats que treballen de forma autònoma. Cada esclau té propòsits diferents: l’esclau 1 s’encarrega del control de pitch, l’esclau 2 de monitoritzar la posició i velocitat de vent així com les possibles vibracions amb acceleròmetres i galgues extensomètriques i l’esclau 3 del control de càrrega de les bateries incloent la dissipació de l’energia per excedents en lluminàries i els senyals per activar llums, bombes hidràuliques i fre del dispositiu per curtcircuit de fases. Tal i com estava exposat a la memòria del projecte, en aquesta tasca també s’han adquirit tots els elements necessaris per a la realització del sistema de regulació electrònic.

Figura 3. Esquema en blocs del sistema de control del pitch

En acabar la fase d’assaig del micro-aerogenerador en el túnel de vent, i un cop detectades i corregides les errades de la proposta del disseny inicial, es va procedir a redissenyar per bé el mecanisme que permetés modificar el pitch de les pales. En aquest redisseny, es va descartar la utilització de qualsevol element imprès en 3D degut a les elevades sol·licitacions de l’aerogenerador de 2,2 kW en condicions reals. El disseny va prioritzar la utilització de components comercials, de robustesa i qualitat conegudes i més econòmics que en cas de fer-los a mida. Els elements singulars com la subjecció dels rodaments, la placa de contenció, etc., es van haver de mecanitzar, d’acord amb la tasca 4 de la memòria del projecte. Es va seguir la recomanació dels mentors per escollir, a mode de subcontractació, el centre de mecanitzat que tingués la qualitat suficient per satisfer els nostres requeriments.

Figura 4. Estructura original de l’aerogenerador abans d’implementar el Pitch i el disseny 3D en forma piramidal aplicat sobre l’estructura original.

Figura 5. Detall del mecanisme Scotch Yoke per a la rotació de pas i vista en secció transversal del mecanisme.

La tasca 5 de la memòria es va dur a terme amb èxit en el micro-aerogenerador per a l’assaig de laboratori. El muntatge del mecanisme sobre el model real està pendent de muntar-se. Cal recordar que el mecanisme ja està validat experimentalment en assajos a escala treballant amb diferents condicions (tasca 2). A més, el mecanisme proposat sí que està muntat sobre el sistema de rotor més pitch variable, però manca instal·lar-lo al damunt de l’estructura tubular de suport. Amb aquesta acció gairebé ja finalitzada, es va contactar amb possibles actors interessats en aquesta tecnologia mitjançant un tríptic informatiu. L’alcaldessa d’Ordis (municipi on està ubicat l’aerogenerador), el Consell Comarcal de l’Alt Empordà i la D. O. Empordà hi van mostrar interès. De forma especial el Consell Comarcal de l’Alt Empordà que ens va convocar a una reunió per exposar amb més detall el projecte i promoure aquesta solució a la zona.

Figura 6. Assajos experimentals.

Per bé que l’acabament de les tasques 6 (muntatge de sensors i del sistema electrònic) i 7 (testejar el control actiu de pitch) es necessita l’aerogenerador muntat en la seva ubicació final, la comprovació dels diferents components electrònics i de la proposta de disseny s’està fent a laboratori. Actualment, tres estudiants del Grau en Enginyeria Electrònica Industrial i Automàtica que estan cursant el Treball Final de Grau col·laboren amb aquestes tasques supervisades pel mentor i, també en tot moment, pel científic emprenedor. L’estimació és que a començaments de la tardor del 2021 ja es trobi el sistema operatiu en l’enclavament definitiu. Aquest petit retard en el compliment de les tres últimes tasques ha estat degut a la necessitat de comprovar experimentalment el concepte a nivell TRL3 en el laboratori mitjançant un model a escala.  Amb tot, l’objectiu principal del projecte que consistia en la demostració de la viabilitat del control actiu de pitch aplicat a un aerogenerador de baixa potència s’ha assolit amb èxit en relació amb el micro-aerogenerador (0,4 kW) testejat a laboratori (a nivell TRL3). Per a l’aerogenerador de 2,2 kW, les accions que s’estan duent a terme actualment permeten pronosticar que s’assolirà el TRL3 a principis de la tardor del 2021. 

DIFUSIÓ PÚBLICA DELS RESULTATS DEL PROJECTE