Diseño y ensayo del sistema de guiñada de un aerogenerador a pequeña escala

Abstract

[ES] El objetivo de la tesis es el montaje de uno de los modelos G06 ya diseñados en el departamento de Energía Eólica de la TUM, así como el diseño e implementación de un mecanismo de guiñada adecuado. Aunque el diseño del modelo fue terminado por E. Nanos y las piezas fueron fabricadas, el modelo nunca había sido montado. Por lo tanto, la primera parte de la tesis consiste principalmente en trabajo de laboratorio y la preparación de documentación para el futuro montaje de las otras turbinas. El objetivo de la segunda parte (el diseño del mecanismo de guiñada) consiste en proponer diferentes soluciones para el sistema y compararlas para encontrar la mejor relación especificaciones-precio, por último la mejor solución se someterá a una fase de diseño detallado y un proceso de calibración y prueba.

Mientras que para la parte de montaje no hay ninguna innovación que vaya más allá del estado del arte, la dificultad es principalmente continuar el trabajo de otra persona, y aprender las diferentes habilidades necesarias para el correcto funcionamiento de la turbina: trabajo de laboratorio, mapas de cableado, calibración, pruebas en el túnel de viento y una forma de trabajo ordenada y eficiente. Muchas dudas y problemas de montaje surgen al hacerlo por primera vez, resolverlos y documentarlos ahora será muy útil para el montaje de todas las turbinas. El diseño e implementación del mecanismo de guiñada de una turbina tan pequeña es intrínsecamente el estado del arte, ya que no existen publicaciones de modelos de aerogeneradores a escala donde se explique en detalle el diseño del sistema de guiñada para una turbina tan pequeña. El siguiente párrafo resume más profundamente el problema:

Los sistemas de guiñada para aerogeneradores a escala no siguen ningún método de diseño, sino que son sistemas propios hechos a mano y diseñados por una determinada empresa o centro de investigación con el objetivo de que puedan rendir en condiciones escalables a las del modelo real que están replicando. El GO6 es una máquina muy compacta y potente, lo que hace más difícil el diseño de un sistema. Por razones de espacio no es posible reducir la escala del sistema diseñado para máquinas más grandes (G1, G2) en el departamento de energía eólica de la TUM, que se encuentran en la torre. Cuanto más pequeña es la escala, más difícil es encontrar soluciones que reproduzcan adecuadamente el mecanismo que acciona una turbina real. El tamaño compacto del G06 es un reto para desarrollar un sistema de guiñada. En primer lugar, el sistema implementado en el siguiente modelo de mayor tamaño (G1) es difícil, si no imposible, de implementar debido a las restricciones de espacio en el GO6. Una solución similar hubiera sido la forma más fácil, dado que sólo hubiera supuesto adquirir un conjunto motor-motoreductor y freno más pequeño y utilizar un control adaptado similar al del G1 cambiando el diccionario del CAN en el PLC (Bachmann).

La propuesta que se ha acabado implementado tras el análisis trata de utilizar una caja de cambios de ángulo recto, que tiene tanto las funciones de la etapa de rotación como la conversión horizontal-vertical del par del motor. Se trata de una solución competitiva en cuanto a precio y precisión, que además permite implementar el sistema de control existente de los motores Maxon en el laboratorio. Aunque se acordó que esta era la mejor solución, la influencia que podría tener en la estela del viento era incierta. Por lo tanto, el profesor Bottasso propuso ir al túnel de viento antes de adquirir el sistema para realizar algunas mediciones de la estela con una forma similar a la del sistema y con un perfil aerodinámico impreso en 3D para ver si es posible reducir el efecto sobre la estela hasta niveles despreciables. Si un sistema de guiñada tiene un impacto en la estela del orden de magnitud del producido por la propia condición de guiñada, las mediciones

[EN] The objective of the thesis is to assembly one of the existing designed G06 model at TUM Wind Energy department, as well as the design and implementation of a suitable yaw mechanism. Although the design of the model was finished by E. Nanos and the parts were manufactured, the model had never before been assembled. Therefore the first part of the thesis consist mainly in lab work and documentation for the future assembly of the other turbines. For the second part ( the yaw mechanism design) the objective was to propose different solutions and compare them to find the one with the best specifications-price ratio and then the best solution will undergo a detailed designed phase.

While for the assembly part there is no innovation going beyond the state of the art, the difficulty is primarily continuing the work of someone else, and learn the different skills needed for the proper operation of the turbine: lab work, wiring maps, calibration, wind tunnel testing and an ordered and efficient way of working. Many doubts and assembling problems arise when doing it for the first time, solving and writing them now will be very useful for the assembly of all of the turbines. The yaw mechanism design and implementation of such an small turbine is intrinsically state of the art, because there are no publications of wind turbine scaled models where the design of the yaw system is explained. The following paragraph summarizes more deeply the problem:

Yaw systems for scale wind turbines do not follow any design method, but are own handmade systems designed by a given company or research centre with the aim of being able to perform in scalable conditions to the ones of the real model, which they are replicating. The GO6 is a very compact and powerful machine, which makes more difficult the design of a system. For space reasons it is not possible to scale down the system designed for bigger machines (G1, G2) in the TUM Wind Energy department, which are located in the tower. The smaller the scale, the more difficult it is to come up with solutions, which can properly replicate the mechanism driving a real turbine. The compact size of the G06 is a challenge to develop a yaw system. First, the system implemented in the next bigger size model (G1) is difficult, if not impossible to implement due to space restrictions in the GO6. A similar solution would have been the easiest way, given that it would have just supposed acquiring a smaller motor-gearhead-brake set and use a similar adapted control like in the G1 by changing the dictionary of the CAN in the PLC (Bachmann).

The last proposal was to use a right angle gearbox, which has both the functions of the rotatory stage and the horizontal-vertical conversion of the torque of the motor. It is a price/ accuracy competitive solution, which also allows to implement the existing control system of the Maxon Motors in the lab. Even though it was agreed that this was the best solution, the influence it could have on the wake is yet an issue to solve. Therefore Prof. Bottasso proposed to go to the wind tunnel before purchasing it to perform some wake measurements with a similar shape as the one to the system and with a 3D printed airfoil to see if it is possible to reduce the effect on the wake to neglectable levels. If a yaw system is having an impact on the wake of the order of magnitude of the one produced the by yaw condition itself, the measurements are not valid. Thus this test is decisive to check the viability of the design system. The final goal is to have a full model running and calibrated ready for its use in the wind tunnel.