Proyecto Fin Carrera Aerogeneradores

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UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLASESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)INGENIERO INDUSTRIAL

PROYECTO FIN DE CARRERA

GENERADORES DE EXCITACIN SUPERCONDUCTORA PARA AEROGENERADORES

AUTOR:

ANTONIO ORTIZ CASAS

MADRID, SEPTIEMBRE DE 2005

INDICE GENERAL

MEMORIAMEMORIA DESCRIPTIVA__________________________1 CLCULOS JUSTIFICATIVOS______________________65 ESTUDIO ECONMICO___________________________161 ANEXOS________________________________________191 BIBLIOGRAFA__________________________________200

PLANOS

PRESUPUESTOPRESUPUESTO DESGLOSADO ____________________203 PRESUPUESTO GENERAL_________________________206

Autor: Antonio Ortiz Casas

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MEMORIA DESCRIPTIVA

1.1.1. COMPONENTES DE UN AEROGENERADOR

Aerogenerador Mitsubishi 1.000 kW.

1 Pala 2 Rodamientos de la pala 3 Buje 4 Cabeza del rotor 5 Rodamientos Principales 6 Eje motriz 7 Acoplamiento (baja velocidad) 8 Multiplicadora 17 Gndola

9 Acoplamiento (alta velocidad) 10 Unidad hidrulica 11 Intercambiador de calor 12 Generador 13 Vela 14 Pararrayos 15 Anemmetro 16 Actuador de pich 18 Torre

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1.1.1.1. TORRES DE AEROGENERADORESTorres tubulares de acero La mayora de los grandes aerogeneradores poseen torres tubulares de acero, fabricadas en secciones de 20-30 metros con bridas cnicas, con el fin de aumentar su resistencia y al mismo tiempo ahorrar material. Torres de celosa Las torres de celosa son fabricadas utilizando perfiles de acero soldados. La ventaja bsica de las torres de celosa es su coste, puesto que una torre de celosa requiere slo la mitad de material que una torre tubular con la misma rigidez. La principal desventaja de este tipo de torres es su apariencia visual (esa cuestin es claramente debatible). En cualquier caso, por razones estticas, las torres de celosa han desaparecido prcticamente en los grandes aerogeneradores modernos. Torres de mstil tensado con vientos Algunos aerogeneradores pequeos estn construidos con delgadas torres de mstil sostenidas por cables tensores. La ventaja es el ahorro de peso y, por lo tanto, de coste. Las desventajas son el difcil acceso a las zonas alrededor de la torre, lo que las hace menos apropiadas para zonas agrcolas. Es tambin la ms propensa a sufrir actos vandlicos. Torres hbridas Algunas torres son combinaciones entre una de celosa y una tubular.

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1.1.1.2. ROTORMateriales de la pala del rotor La mayora de las modernas palas de rotor de grandes aerogeneradores estn fabricadas con plstico reforzado con fibra de vidrio ("GRP"), es decir, polister o epoxy reforzado con fibra de vidrio. Utilizar fibra de carbono o aramidas (Kevlar) como material de refuerzo es otra posibilidad, normalmente estas palas eran antieconmicas para grandes aerogeneradores, pero hoy da se estn empezando a utilizar. Los materiales compuestos de madera, madera-epoxy, o madera-fibraepoxy an no han penetrado en el mercado de las palas de rotor, aunque existe un desarrollo continuado en ese rea. Las aleaciones de acero y de aluminio tienen problemas de peso y de fatiga del metal, respectivamente. Actualmente slo son utilizados en aerogeneradores muy pequeos.

1.1.1.3. GENERADORES DE TURBINAS ELICAS

Tpico generador asncrono utilizado en aerogeneracin

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Los aero-generadores son algo inusuales si se les compara con los otros equipos generadores que suelen encontrarse conectados a la red elctrica. Una de las razones es que debe trabajar con una fuente de potencia (el rotor de la turbina elica) muy variable. La tensin de generacin suele ser de 690 V de corriente alterna trifsica. Posteriormente, la corriente es enviada a travs de un transformador anexo a la turbina (o dentro de la torre), para aumentar su voltaje entre 10 y 30 kV, dependiendo del estndar de la red elctrica local. Los grandes fabricantes proporcionan modelos de aerogeneradores tanto de 50 Hz como 60 Hz (para la red elctrica de Amrica). Los generadores necesitan refrigeracin durante su funcionamiento. En la mayora de turbinas la refrigeracin se lleva a cabo mediante encapsulamiento del generador en un conducto, utilizando un gran ventilador para la refrigeracin por aire. Algunos fabricantes usan generadores refrigerados por agua, que pueden ser construidos de forma ms compacta, esto proporciona algunas ventajas en cuanto a rendimiento se refiere. Las turbinas elctricas pueden ser diseadas tanto con generadores sncronos como asncronos, y con varias formas de conexin, directa o indirecta a red. La conexin directa a red significa que el generador est conectado directamente a la red de corriente alterna. La conexin indirecta a red significa que la corriente que viene de la turbina pasa a travs de una serie de dispositivos electrnicos antes de ser enviada a la red. En generadores asncronos esto ocurre siempre. La mayora de turbinas elicas del mundo utilizan un generador asncrono trifsico, tambin llamado generador de induccin. Fuera de la industria elica y de las pequeas unidades hidroelctricas, este tipo de generadores no est muy extendido. Otra de las razones para la eleccin de este tipo de generador es que es muy fiable y no suele resultar caro. Este

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generador tambin tiene propiedades mecnicas que lo hacen especialmente til en turbinas elicas (el deslizamiento y una cierta capacidad de sobrecarga). Uno de los motores asncronos ms utilizados en aerogeneracin (hasta la llegada de las mquinas megavatio) ha sido el rotor de jaula de ardilla. Lo bueno de ste es que l mismo adapta el nmero de polos del rotor de forma automtica. As pues, un mismo rotor puede ser utilizado con una gran variedad de nmeros de polos. El problema de proveer de ms polos a un generador asncrono se reduce a conectar de distinta forma las bobinas del estator. Algunos fabricantes equipan sus turbinas con dos generadores, uno pequeo para periodos de vientos suaves, y otro grande para periodos de vientos fuertes (o dos iguales que funcionarn conjuntamente en periodos de viento fuertes y uno slo en los dbiles). Un diseo comn en las mquinas ms nuevas es un generador de nmero de polos variable, es decir, generadores en los que (dependiendo de como estn conectadas las bobinas del estator, como ya vimos) puede funcionar con diferente nmero de polos y, por tanto, a distinta velocidad de rotacin. Algunos generadores se fabrican por encargo como dos-en-uno, es decir, que son capaces de funcionar como, p.ej., un generador de 400 kW o uno de 2.000 kW, y a dos velocidades diferentes. Este diseo se extendi durante los pasados aos en la industria, pero no lleg a consolidarse. Si vale o no la pena utilizar un generador doble o un mayor nmero de polos para los vientos suaves depender de la distribucin de velocidades del viento local, y los costes de los polos adicionales comparado con el precio que el propietario de la turbina obtiene por la electricidad.

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Sin embargo, una buena razn para utilizar un sistema de generador doble es que puede hacer funcionar la turbina a ms baja velocidad de rotacin a bajas velocidades de viento. Esto supone a la vez una mayor eficiencia (aerodinmicamente), y un menor ruido de las palas del rotor (que slo suele suponer un problema a bajas velocidades del viento). El deslizamiento del generador en una mquina asncrona suele ser muy pequeo por cuestiones de eficiencia, por lo que la velocidad de giro variar alrededor de un 1% entre el rgimen en vaco y a plena carga. Sin embargo, se puede variar el deslizamiento variando la resistencia del rotor, de esta forma puede aumentarse hasta un 10 %. Esto suele hacerse mediante un rotor bobinado (no es posible en un rotor de jaula de ardilla): un rotor con cables de cobre arrollados conectados en estrella, y conectados a resistencias variables externas, adems de un sistema de control electrnico para operar las resistencias. La conexin suele hacerse con escobillas y anillos rozantes, lo que supone un claro inconveniente respecto al diseo tcnico elegante y simple de una mquina de rotor de jaula bobinada. Tambin introduce partes que se desgastan en el generador, por lo que requiere un mantenimiento adicional. Opti Slip Es una variacin interesante del generador de induccin de deslizamiento variable que evita los problemas que introducen los anillos rozantes, las escobillas, las resistencias externas y, a su vez, el mantenimiento. Se logra montando las resistencias externas en el propio rotor, as como el sistema electrnico. La comunicacin al rotor del deslizamiento necesario puede hacerse usando comunicaciones de fibra ptica.

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1.1.1.4 CAJAS MULTIPLICADORAS

Engranajes. Los modelos tpicos de multiplicadoras poseen un sistema de tres etapas.

La potencia de la rotacin del rotor de la turbina elica es transferida al generador a travs del tren de potencia: el eje principal, la caja multiplicadora y el eje de alta velocidad. Si ussemos un generador directamente conectado a red, con 2, 4 6 polos, la turbina debera girar entre 1000 y 3000 rpm. Con un rotor de 43 metros de dimetro, implicara una velocidad en punta de pala ms de dos veces la velocidad del sonido, imposible de realizar. Otro problema es que el volumen del rotor del generador es proporcional a la cantidad de par torsor que tiene que manejar, as un generador accionado directamente ser muy pesado (y caro). La solucin es utilizar un multiplicador. Se hace pues una conversin entre potencia de alto par torsor, que obtiene del rotor girando lentamente, y la potencia de bajo par torsor, a alta velocidad, que recibe el generador.

Multiplicadora de 2 MW con dos bridas para acoplar dos generadores

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1.1.2. MOTIVACIN DEL PROYECTO* * *

1.1.2.1. ESTADO ACTUAL DE LA TECNOLOGAActualmente se encuentran en los diversos parques elicos las siguientes tecnologas de generacin:

ASINCRONOS1. Rotor jaula de ardilla 2. Doblemente alimentado

SINCRONOS3. Sncronos 4. Sncronos, excitacin con imanes permanentes (flujo radial) Pasemos ha hacer una descripcin de las mismas:

ASNCRONOS:1. JAULA DE ARDILLACARACTERSTICAS: Velocidad de giro () cte, pala fija y regulacin por stall (prdidas).En los modelos de mayor potencia (hasta 2 MW) se ha incorporado un active-

stall , en el que la pala puede girar slo unos grados (10) para ajustar mejorel perfil de stall en la zona de altos vientos (18-25 m/s).

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Conectado directamente a red a travs de una caja multiplicadora entre rotor y generador. Como absorbe energa reactiva de la red para la excitacin (magnetizacin del rotor) va equipado con un banco de condensadores que puede regularse por pasos al objeto de obtener un cos=1. Para evitar las altas corrientes de arranque se usa un soft-starter. Algunos modelos estn equipados con dos generadores, uno de la potencia nominal el otro de potencia mitad, para funcionar a bajas velocidades de viento (con el fin de aprovechar la inversin realizada y conseguir una tasa de disponibilidad de funcionamiento elevada), por lo que se puede reducir bruscamente la potencia de salida. PRECIO Y MANTENIMIENTO: Estos generadores tienen un diseo simple y robusto. Su fabricacin es ampliamente conocida ya que son idnticos a los motores de jaula de ardilla usados normalmente, por lo que el precio es el ms bajo de todas las tecnologas existentes. En cuanto a su mantenimiento se puede decir que es prcticamente inexistente. COMPORTAMIENTO RESPECTO A RED: Transmite las variaciones de potencia de entrada del viento a red sin amortiguarla, por lo que la potencia de salida a red es muy variable. Asimismo estas bruscas variaciones de potencia afectan grandemente a la caja multiplicadora, que est sometida a continuos esfuerzos variables de par, lo que origina problemas mecnicos en dicho elemento. Por otra parte, transmite el efecto de sombra que hacen las palas al pasar delante de la torre, en la regin de 3-4 Hz, por lo que se produce Flicker.

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La regulacin de la frecuencia no es posible a no ser en escalones bruscos como hemos visto. Lo mismo sucede con la regulacin de la tensin, ya que siempre est consumiendo reactiva. Slo puede regularse un pequeo margen con la batera de condensadores para obtener un cos unidad. Ante los huecos de tensin reacciona aumentando la velocidad de giro de las palas ya que el par resistente elctrico, al disminuir la tensin por el hueco, se reduce con el cuadrado de la tensin. Para evitar el embalamiento de la mquina, es desconectada por la proteccin de sobrevelocidad. En conclusin: dicho generador tiene unas caractersticas de robustez y simplicidad aparte de un precio ms bajo que los otros diseos, pero carece de regulacin de frecuencia y de tensin e introduce en la red las variaciones de potencia de viento. Su comportamiento ante huecos de tensin produce una inestabilidad de aceleracin del generador, y una vez despajada la falta, al absorber reactiva, produce una bajada de tensin que no ayuda a la recuperacin de la misma en la red. Su uso, por lo tanto se circunscribira a potencias pequeas y medianas (turbinas de 10-250 KW, potencia mxima del parque de unos MW) en redes de tensiones inferiores.

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2. DOBLEMENTE ALIMENTADOCARACTERSTICAS: Velocidad variable (), con control de paso de pala (margen 40%), rotor devanado con un convertidor electrnico entre el rotor y la red., CE (b-

t-b1, IGBT) rotor(RP)-red(IQ)(~30% P). El estator est directamenteacoplado a red a travs de un transformador. El rango de variacin de la velocidad del generador es, en un generador de cuatro polos, desde 1.400 a 1.750 rpm. La potencia del convertidor, formado por dos unidades back-to-back de IGBT unidos por una conexin en C.C. con un condensador de alisamiento, es del orden del 25 al 30% de la potencia nominal de la turbina. Tiene, asimismo, una caja multiplicadora entre rotor y generador de tres etapas y una relacin que vara entre 1:50 y 1:60. Con este diseo se pueden controlar las corrientes de las dos partes del convertidor, el lado del rotor (rectificador) y el lado de red (inversor). Al controlar con los IGBT la corriente de la parte de red, se obtiene el control de la potencia reactiva por medio de la corriente directa del estator, Id, ligada al flujo de estator (esta regulacin es parcial, dentro de unos lmites). Igualmente, al controlar la corriente de la parte del rotor se controla la intensidad en cuadratura, Iq, ligada al par y por consiguiente a la potencia activa. Se trata pues de un ingenioso diseo que intenta acercar el generador asncrono a su homlogo sncrono, permitiendo un importante control de reactiva, aunque no alcanza al control desarrollado por el sncrono.

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Back-to-back, en antiparalelo.

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Una desventaja de este tipo de generador son las prdidas asociadas al sistema de control antes mencionado, que se disea para un 30% de la potencia nominal de la mquina, obteniendo por tanto peores rendimientos (~ 95 %). PRECIO Y MANTENIMIENTO: Se trata de un equipo (Generador Convertidor) ms sofisticado que el anterior, con el generador con el rotor devanado y anillos rozantes, al que hay que aadir la electrnica de potencia del convertidor. Todo ello hace que su precio sea ms elevado que el generador anterior y su mantenimiento ms complicado, posiblemente el ms complicado de todos los que vamos a estudiar, sobre todo en lo referente a las escobillas de los anillos rozantes. COMPORTAMIENTO EN RED: Los generadores de rotor doblemente alimentado (DFIG) y velocidad variable tienen unas posibilidades de control mayores que la anterior mquina. La regulacin de tensin se puede hacer actuando sobre la parte del convertidor conectado a red, controlando, como hemos dicho, su corriente Iq. Se puede absorber o producir potencia reactiva aunque su rango de variacin depende del dimensionamiento del convertidor. La regulacin de frecuencia es asimismo posible actuando sobre la parte del convertidor del lado del rotor (rectificador), que hace variar el par y por consiguiente la potencia entregada, permitiendo una salida de la misma regular y constante si se desea, o viene impuesta.

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SINCRONOS:3. EXCITACIN CLSICACARACTERISTICAS: Generador ms caro. Electrnica del modelo muy cara, ms que el del anterior. Turbinas de velocidad variable con control de paso y generador sncrono, acoplado bien: -Directamente al eje de la turbina. -A travs de una caja multiplicadora. Se requiere as un generador de menos polos y por lo tanto de ms revoluciones y menores dimensiones, por lo tanto de un coste ms bajo, an sumando la multiplicadora2. A la salida del generador sncrono, suministrando en alterna de frecuencia variable siguiendo las variaciones de velocidad del viento, se acopla un convertidor electrnico formado por un rectificador y un inversor unidos por un enlace en CC. La salida del inversor se hace a la frecuencia de la red. Toda la potencia captada por la turbina pasa por el convertidor que tiene que estar diseado para soportar la potencia nominal de la misma, por esta razn, esta electrnica de potencia es ms cara que la del 2 modelo, con el consiguiente problema de prdidas adicionales.

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Como veremos en posteriores secciones, este hecho tiende a invertirse a medida que las potencias crecen.

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PRECIO Y MANTENIMIENTO: Se trata de la disposicin ms cara de las estudiadas hasta ahora, tanto por el generador sncrono de elevado nmero de polos (o la multiplicadora en caso de ser la 2 opcin), como por el convertidor electrnico que tiene que ser de la misma potencia que el generador. A su favor tiene el hecho de carecer de caja multiplicadora (en el 1 de los casos), eliminando los problemas de fiabilidad que esta conlleva, o de tener una ms sencilla con menos etapas. Su mantenimiento est penalizado por el uso de escobillas en la excitacin, pero tiene a su favor que se ha eliminado la caja multiplicadora que necesita de lubricacin, revisiones peridicas y reparaciones. COMPORTAMIENTO ANTE RED: Las mquinas con generador sncrono de excitacin usual pueden regular frecuencia con menos problemas, actuando sobre la parte del convertidor del lado de las turbinas, sin embargo como es lgico, para subir frecuencia, el generador debe estar funcionando a una potencia inferior a la nominal o tener un parque con una potencia instalada mayor que la autorizada para el total del parque. En ambos casos, como ya hemos explicado, el parque no produce a su mxima potencia, no siendo rentable. La regulacin de tensin es as mismo posible actuando sobre la parte del inversor. Si se quiere un amplio rango de regulacin de tensin, se debe sobediminsionar el inversor. El control de reactiva por parte de esta mquina es el mejor de los estudiados, se puede actuar adems tocando su excitacin. Se regular dicho parmetro segn convenga, beneficindose de los bonus actuales por produccin a un cos determinado.

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Como conclusin respecto a la regulacin de potencia y tensin (control de reactiva), el generador sncrono con convertidor al 100% de la potencia nominal, ofrece un mejor comportamiento frente a transitorios y una mayor flexibilidad que los tipos anteriores.

4. EXCITACIN CON IMANES PERMANENTES (flujo radial)CARACTERISTICAS: Las caractersticas son anlogas al modelo anterior, por el hecho que no se puede controlar la reactiva por medio de la excitacin, ya que esta es fija y corresponde con la imanacin de las piezas del rotor. Se ahorran las prdidas en la excitacin en este modelo. PRECIO Y MANTENIMIENTO: Son mquinas muy caras, sobre todo debido a los materiales del rotor, los imanes permanentes, materiales que provienen de aleaciones de elementos de las tierras raras y que encarecen muchsimo la construccin de estas mquinas. Por otra parte el mantenimiento es casi nulo, ya que la insercin de corrientes al rotor es inexistente, evitando anillos rozantes, etc. COMPORTAMIENTO ANTE RED: Cabe decir lo dicho arriba, una peor regulacin de reactiva, que habr de ser soportada exclusivamente por la electrnica de potencia, por lo que sta se encarecer tambin.

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1.1.2.2. PROBLEMTICA ACTUALLa cada vez ms implantada energa elica, est sufriendo, como toda tecnologa emergente, un continuo proceso de mejora y avance. Esta evolucin y desarrollo lleva al uso de economas de escala, en las que se tiende a hacer aerogeneradores cada vez ms potentes con el fin de reducir costes fijos, como mantenimiento, etc.. Se da el curioso y desfavorable hecho que al aumentar la potencia de un aerogenerador el par crece en mucha mayor proporcin. Este hecho tiende a estabilizarse para potencias superiores a los 10 MW, ya que la grfica P- tiende a aplanarse:LIMITES MXIMOS Y MNIMOS. EVOLUCIN DE LAS RPM30 25 20 rm p 15 10 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Potencia

Este desmesurado crecimiento del par viene debido principalmente a dos factores, el aumento de potencia y la disminucin de velocidad angular del rotor, segn la expresin: P = M M=P/ Si la potencia sube y la velocidad de rotacin baja, se produce una sinergia de efectos que llevan a un crecimiento enorme del par. Explicamos a continuacin cada uno de estos factores con ms detalle:

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Aumento de potencia:

La potencia de un aerogenerador depende bsicamente de la densidad del aire, de su velocidad y del rea barrida por el rotor. La instalacin de generadores en el mar puede procurar un aumento en la velocidad del viento debido a la baja rugosidad y cizallamiento del mismo y al efecto brisa. Pero este crecimiento del viento en algn momento estar limitado. Adems, un aumento de viento en unas palas no diseadas para soportarlo puede romper el rotor. As otra limitacin impuesta por el viento es que la industria de construccin de palas de rotor no presente la tecnologa necesaria para que estas aguanten los grandes esfuerzos que sufren debido a altas velocidades en punta de pala. De esta forma, las elevadas velocidades en los extremos de la pala (v = R), que dependen de las revoluciones a las que gire el rotor, provocan unos esfuerzos de flexin que tienden a romperlas, o al menos a perder eficiencia aerodinmica. Vindose el factor del aumento de viento limitado por las condiciones climticas adems de por la elevada velocidad en los extremos de pala, los otros trminos de la ecuacin de la potencia que podemos tocar son la densidad y el rea de barrido del rotor. La primera no se puede modificar por razones obvias. El aumento del rea de barrido de las palas se puede traducir en un aumento de potencia, pero sta se ve limitada por las mismas consideraciones mecnicas que el caso anterior, ya que un aumento de rea conlleva un aumento del radio, y ste un aumento de la velocidad en punta de pala.

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Las velocidades en punta de pala son pues proporcionales a la velocidad del viento incidente (aumenta las rpm), y al rea del rotor (sta depende del radio al cuadrado). Es preferible aumentar el viento todo lo posible para un factor limitante de velocidad en punta de pala: un aumento de rea al doble se traduce en un aumento de la potencia al doble, y unas velocidades en punta de pala del cudruple. Si aumentamos el viento al doble, la velocidad en punta de pala crece igualmente el doble, pero la potencia crece ocho veces. En la prctica, las velocidades del viento estn sujetas a las condiciones ambientales y climticas de la regin, y no podemos actuar sobre ellas, de modo que se intenta aprovechar este viento todo lo posible, y para aumentar la potencia se requiere pues un aumento de rea. Disminucin de la velocidad de giro.

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De esta manera, para aumentar la potencia con una velocidad en punta de pala determinada aumentando tan slo el rea de barrido del rotor, es necesario disminuir las rpm para as la velocidad mantenerse constante.

Este aumento exacerbado de par lleva a la construccin de unas cajas multiplicadoras de mayor volumen para aguantar los esfuerzos que el par conlleva: la disminucin de velocidad angular, requiere una relacin de multiplicacin mayor y, por lo tanto, unos mayores dimetros de engranajes (que se traduce en un aumento de volumen, ya que las tensiones debidas a momentos torsores aumentan con el radio. Adems, stos han de ser ms

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gruesos para presentar la suficiente rigidez) o de ms etapas (tambin ms volumen requerido). As pues, debido a estos dos efectos combinados, este elemento del aerogenerador se encarece considerablemente, adems de aumentar su peso, lo que conlleva un aumento del precio de la torre. En la seccin dedicada al estudio econmico se hace un exhaustivo anlisis de la evolucin de este elemento a medida que crecen las potencias. De esta forma, deja de ser rentable el uso de la multiplicadora para convertir la energa de de entrada del rotor, de gran par y bajas rpm, a una energa de entrada al generador de menor par y mayores rpm (con la que se consegua una disminucin del tamao del generador, que es proporcional al par, y, por lo tanto, una disminucin en su precio y precio). Esta prdida de rentabilidad apunta al uso de generadores de alto par acoplados directamente, evitando el uso del citado elemento. Aunque surge un problema debido al peso de estos generadores. Sin una multiplicadora, la velocidad de rotacin es lentsima, y el par grandsimo, con lo que el tamao de la mquina crece mucho, llegando a tener la forma de un gran anillo. Este peso es, para un aerogenerador de 10 MW, del orden de las 500 toneladas; y alojar en una gndola un generador de unos 12-15 metros de dimetro y ese peso conlleva un esfuerzo econmico y tcnico muy grande debido a la construccin de torres que deban soportar y alojar estas solicitaciones. Por ello surge el presente proyecto. Se busca encontrar generadores ms livianos, con mayores densidades de par, centrndonos en una de las ramas de investigacin: los generadores de excitacin superconductora. Se vern tambin otras mquinas que consiguen una alta densidad de flujo, pero el objetivo del proyecto, recalco, sern las ya mencionadas mquinas de excitacin superconductora.

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AEROGENERADORES DE BAJA POTENCIA (CLASE KW) Pasemos rpidamente por estos aerogeneradores, ya que, aunque se encuentran funcionando en los parques actuales, hoy da se tiende a instalar aerogeneradores ms grandes. Normalmente estos generadores no disponen de paso variable en pala (pich controlled), y tan slo disponen de regulacin de potencia desde el generador. Veamos algunos de estos generadores:

Aerogenerador Ecotecnia 750 Fabricante/Distribuidor: Ecotecnia Dimetro de rotor: 48 metros Potencia: 750 kW

Aerogenerador AE46/I 660 kW Fabricante/Distribuidor: MADE (ahora GAMESA) Potencia: 660 kW Dimetro de rotor: 46 m dimetro

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Repower 48/750 Fabricante/Distribuidor: REPOWER ESPAA Potencia: 750 kW Dimetro de rotor: 48,4 m Otros: Peso total aerogenerador: 75 t. Tipo generador: asncrono cambiapolos 4/6.

Otros aerogeneradores de la clase kW son: -N 54 / 1000 Kw. NORDEX IBERICA. -Fabricante/Distribuidor: VESTAS Aerogenerador V52 - 850 kW (mejora del V47 660 kW) Con regulacin por cambio de paso 52 m dimetro de rotor -Los IZAR-BONUS 600 kW y 1000 kW (MK - x). -North American distributor for Furhlander turbines. 30 kW, 100 kW, 250 kW, 750 kW, and 1,000 kW machines -GE 350, 950, 1000 Kw -MITSUBISHI 1 MW Etc.

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AEROGENERADORES DE MEDIANA POTENCIA (CLASE MW) Estos aerogeneradores son hoy los ms utilizados en la construccin de parques en tierra. Los inversores y proyectistas de parques estn poco a poco confiando ms en las mquinas multimegawatio, pero las mquinas que se imponen hoy da para aplicaciones en parques terrestres son los aerogeneradores de 1 a 2.x MW. Para aplicaciones offshore, estas mquinas compiten hoy da con sus vecinos ms grandes, las mquinas de 3 y 4 MW. Describamos algunos de ellos: Aerogenerador IZAR BONUS 1.3 MW Fabricante/Distribuidor: IZAR TURBINAS Regulacin de potencia: paso variable (combistall). Freno aeordinmico y mecnico tipo fail safe. Altura de la torre: hasta 68m. Amplitud de pala: 29 m. Peso gndola y rotor: 80 Toneladas.

Aerogenerador N 80/ 2500 Fabricante/Distribuidor: NORDEX IBERICA Potencia:2.500kW Generador: Asncronico double-fed refrg. agua-glicol Dimetro rotor: 80 m Altura torre: 60 y 80 m Velocidad rotor: 10,3/19,2 rpm

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Aerogenerador N62-60/1300 Fabricante/Distribuidor: NORDEX IBERICA Potencia nominal: 1.300 kW Tipo generador: Asncronico refrigerado por lquido Dimetro rotor: 62 m Velocidad rotor: 19/12,7 rpm Altura torre: 69 m

Repower MD 70 - 1500 KW generador: asncrono de seis polos, de alimentacin doble.

2.5 MW Liberty Wind Turbine for IEC class I, II & III (dependiendo del rotor) Velocidad del rotor: 9.7 - 15.5 rpm Potencia: 2500 MW Altura: 80m Multiplicadora mltiple Generador: 4 generadores sncronos de imanes permanentes de alta velocidad.

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Otros generadores de similares potencias son: VESTAS: Clase 1.5 MW Aerogenerador V82/1500 Aerogenerador V82/1650 Clase 2 MW Aerogenerador V80 - 2 MW Aerogenerador V90 - 1.8 MW Aerogenerador V90 - 2 MW IZAR BONUS 2000 Y 2300 KW. GE 1.5, 2.X MW. MITSUBISHI 2.4 MW GAMESA 2 MW E 82. ENERCON, 2 MW (6-20 rpm)

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AEROGENERADORES DE ELEVADA POTENCIA (CLASE MULTI-MW)

Estos son los aerogeneradores ms interesantes con respecto a lo que acontece al proyecto, ya que son los de ms elevada potencia. Son los prototipos de los ms novedosos parques, sobre todo en agua. El mayor de todos ellos es el diseo de 4,5 MW de ENERCON. El cual posee un generador de caractersticas muy parecidas al nuestro excepto que su excitacin no es superconductora. Desarrollemos con algo ms de detalle que los anteriores dicho generadores:

E 112. 4.5 MW, EnerconEste modelo de aerogenerador presenta aproximadamente unas dimensiones iguales al nuestro, as que es posible imaginar el prototipo realizado viendo un dibujo de dicho generador. El generador que usa es sncrono, acoplado directamente al eje, sin multiplicadora. El devanado estatrico est formado por bobinas en las que se alojan conductores circulares de seccin gruesa aislados mediante barniz. Estas bobinas tienen una clase de aislamiento trmico F (155 C), muy elevada. Se utiliza un proceso especial en el conformado de las bobinas para obtener un devanado estatrico continuo, lo que posibilita mltiples ventajas: evita corrosiones, resistencias de contacto, fatigas, previene de faltas, etc. El voltaje variable de salida es rectificado mediante electrnica de potencia.

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Es un aerogenerador muy fiable gracias a la inexistencia de la multiplicadora, elemento que suele presentar fallos, siendo uno de los motivos ms importantes de veras graves en aerogeneradores. A pesar del gran dimetro del mismo, la estructura de la gndola es compacta, ya que el eje de transmisin de potencia es muy corto. Este generador presenta tambin la ventaja de poseer una efectiva refrigeracin natural debido a la amplitud de su dimetro, que posibilita un gran rea convectiva. Inyectando adems un adecuado flujo de aire se consigue una excelente refrigeracin, evitando el uso de un intercambiador de calor agua-aire.3 Otra ventaja es que la friccin se ve prcticamente eliminada, adems de por la supresin de la multiplicadora, por no existir ejes que giren a gran velocidad. Como las prdidas por friccin son proporcionales a sta, resultan casi eliminadas si se posee de un correcto anclaje sin desviaciones del eje del generador. Por todo lo dicho, estos generadores tienen una mayor vida de servicio, lo que los hace idneos para aplicaciones offshore, ya que los dems componentes de un aerogenerador para instalacin en mar estn diseados tambin para una mayor vida de operacin, de treinta a cincuenta aos.

Anillo del generador. Sustentacin del rotor del aerogenerador de 2 MW.

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Si el modelo es muy compacto, como el nuestro, podra ser necesario dicho sistema refrigerante.

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Posee un gran inconveniente, su peso. Slo el estator pesa 162 Tm de puro acero. Esto puede llevar a encarecer la torre debido a la necesidad de un aumento de la rigidez de la misma, aunque desde ENERCON se dice que la gndola todava puede soportar una enorme cantidad ms de peso.

Vista interior de la gndola del generador.

Altura de buje: 124 m Dimetro de rotor: 112 m Velocidad del rotor: 8-13 rpm

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GE 3.6 MWs, offshore

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-Con multiplicadora de tres etapas. -Generador doblemente alimentado.

V 90, Vestas

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Esquema general del aerogenerador.

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Controlador del buje Cilindro de control de paso Eje principal Refrigerador de aceite Multiplicador Controlador VMP-Top con convertidor Freno de parada prolongada Gra de mantenimiento Transformador

10. Buje 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. Soporte de pala Pala Sistema de bloqueo de rotor Grupo hidrulica Chasis Motor de orientacin Generador Refrigerador del generador Sensores ultrasnicos

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1.4.1. SUPERCONDUCCIN* * *

1.4.1.1. SUPERCONDUCTORES. TEORA BSICA1.4.1.1.1. INTRODUCCINLos materiales, aun siendo buenos conductores, ofrecen cierta resistencia al movimiento de portadores. Es necesario aplicar un campo que aporte la energa necesaria para producir y mantener la corriente elctrica. La superconductividad es un estado en el que algunos materiales, en ciertas condiciones de temperatura, campo magntico e intensidad de corriente elctrica, tienen resistencia elctrica nula y excluyen totalmente el campo magntico, es decir, son diamagnticos perfectos. Un subgrupo de ellos (tipo II), excluyen solo parcialmente el campo magntico de su interior en estado superconductor. En ellos, el campo magntico puede penetrar a travs de vrtices formados por pares de electrones superconductores, que atrapan un cuanto de flujo magntico. Estas propiedades no pueden ser explicadas con la teora clsica de la resistencia elctrica. En esta teora, la resistencia elctrica no es sino una medida de la energa que se pierde en los choques de los electrones con la red atmica del material. Al bajar la temperatura, la dispersin de los modos de oscilacin de la red disminuye, llegndose a establecer coherencia entre el movimiento de la red y el de los electrones. En este estado, la resistencia elctrica desaparece. Se ha tenido que desarrollar nuevas teoras que - 32 Antonio Ortiz Casas

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expliquen el mecanismo por el cual se establece esta coherencia y en la actualidad, todava son muchas las incgnitas. Muchos metales ofrecen poca resistencia al paso de corriente elctrica, y aproximadamente la mitad de ellos se vuelven superconductores si disminuye su temperatura por debajo de 10 K. En 1908 Karmelingh Onnes, de la Universidad de Leiden, consigui la liquefaccin del helio, y, tres aos despus, empez a estudiar la resistencia elctrica de los metales a baja temperatura. El objetivo de este experimento era intentar llegar hasta una temperatura tan baja, que los electrones se congelaran y el paso de la corriente fuese nulo, es decir, la resistencia infinita. El primer metal en ser estudiado fue el mercurio, en 1912, ya que era uno de los metales ms puros en aquella poca. Onnes descubri que la resistencia del metal caa bruscamente a cero a la temperatura de 4,2 K, todo lo contrario que l pensaba!, lo que indicaba que pasaba a un nuevo estado, desconocido hasta entonces, al que llam estado superconductor por esa propiedad extraordinaria de resistencia cero.

Salto a estado superconductor. Relacin resistividad temperatura

En los siguientes aos se encontraron muchos superconductores a estas temperaturas. - 33 Antonio Ortiz Casas

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En los aos 60, se encontr que ciertas aleaciones de Niobio se volvan superconductoras a temperaturas entre 10 y 23 K. En el 1961 aparecieron por primera vez los primeros cables manufacturados de NbZr, que se utilizaron para hacer imanes de hasta 4 T. Pero pronto aparecieron los cables NbTi (con los que se llegaron a crear campos de 5 T), mucho ms dctiles y fciles de manejar. Otro grupo de superconductores que aparecieron fueron los A15 compuestos. Uno de ellos, el Nb3Sn fue descubierto en 1961 tambin. Con este cable se produjeron imanes de 7 T. Pero este material era mucho ms frgil que el NbTi, y no se pudo usar hasta que unos aos ms tarde caractersticas en su conformabilidad fueron mejoradas. En los aos 70 aparecieron los primeros cables de multifilamentos, compuestos por finsimos cables superconductores embebidos en una matriz de un metal conductor, como Cu. Con stos, se pudieron crear imanes de hasta 10 T con NbTi y de 20 T con Nb3(SnTi). Las densidades de corriente de estos cables son mayores de 100.000 A/cm2. La posibilidad de coherencia entre las oscilaciones de la red y los electrones (lmite terico de la teora bsica de la superconduccin tipo I), haca pensar que no se poda obtener materiales que fueran superconductores por encima de 30 K. Como el superconductor no tiene resistencia, puede conducir corriente indefinidamente sin prdida de energa. Una vez iniciada la corriente, dura indefinidamente dentro del superconductor. Con estos primeros materiales, el ahorro de energa que representa tener un conductor sin prdidas es inferior al coste de refrigerar con helio para mantener el material superconductor. Esto fren el desarrollo industrial de los superconductores. Slo se han podido utilizar en aplicaciones en las que las extraordinarias propiedades de

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los mismos son insuperables y el coste econmico es secundario. Tal es el caso de los aceleradores de partculas y las bobinas MRI. SUPERCONDUCTORES DE ALTA TEMPERATURA Hay ciertas cermicas basadas en xidos de cobre que se convierten en superconductoras sobre los 100 K. En 1986 K.A. Muller y J.F. Bednorz descubrieron una nueva familia de compuestos, los oxocupratos, cuya temperatura crtica era notablemente superior a todas las anteriores, el primero de estos compuestos fue el Ba-LaCu-O ((La,Ba)2CuO4). A partir de este hecho, numerosos investigadores en todo el mundo se han lanzado a descubrir compuestos con temperaturas crticas ms altas. En pocos aos se han encontrado compuestos con Tc cerca de los 140 K. A este nuevo tipo de materiales se les conoce como superconductores de alta temperatura, HTSC o HTS. Tras ese primer compuesto, se han descubierto el xido mixto YBa2Cu3O7 (YBCO en el 87), superconductor a los 93 K, etc. Se puede, por lo tanto, mantener estos compuesto en estado superconductor a la temperatura de ebullicin del nitrgeno (77 K). Otros compuestos basados en el sistema Cux-Oy, son Bismuto-Estroncio-Calcio-xido de Cobre (BSCCO en el 88, como el Bi2Sr2CaCu2O8+x con Tc 85 K, y Bi2Sr2Ca2Cu3O10+x con Tc 110 K), Mercurio-Bario-Carcio-xido de Cobre (HBCCO, el Hg-1223 con Tc 133 K) o TBCCO: Tl2Ba2Ca2Cu3Ox (Tl-1223, 120 K), Tl-2223 125 K y Tl-2212. La produccin de cables requiere de un sustrato, y se han conseguido mejoras aceptables en su conformado y caractersticas utilizando bases de plata en cables como el Bi-2223/Ag ((Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3O10+x ) o el Bi-2212/Ag en los 90s, mejorndose esta tcnica desde entonces.

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Este incremento de la temperatura crtica es fundamental en el desarrollo de los superconductores, puesto que el gas natural es lquido hacia los 120 K y el nitrgeno a 77 K, y licuar nitrgeno es 100 veces ms barato que licuar helio. A esta temperatura, el ahorro de energa puede ser superior al coste de refrigerar el material superconductor y por lo tanto los diseos de dispositivos con superconductor pueden ser competitivos a nivel industrial. Un superconductor se considera de alta temperatura cuando su temperatura crtica sobrepasa los 30 K, que es el lmite terico de los superconductores clsicos. Los superconductores de mayor inters son aquellos cuya temperatura crtica es superior a los 77 K, que es la temperatura de ebullicin del nitrgeno, material fcilmente disponible en la naturaleza y licuable a bajo precio. Desafortunadamente los HTC tienen dos dificultades: son muy frgiles y su granularidad no les permite conducir grandes cantidades de corriente en presencia de campos magnticos. Todos los materiales cermicos son frgiles y poco dctiles, lo que dificulta de forma extraordinaria la fabricacin de cables. Las caractersticas de estos nuevos materiales son diferentes de las de los superconductores de baja temperatura. En los superconductores tipo II, las lneas de flujo penetran, adquieren forma tubular, se mueven y disipan energa, disminuyendo la gran ventaja de los superconductores. Las lneas de investigacin de nuevos materiales tratan tanto de encontrar materiales con una temperatura crtica ms alta, como de mejorar sus caractersticas. La inclusin de puntos de anclaje para impedir el movimiento del flujo en el interior del superconductor y la mejora en la textura para evitar fronteras de grano, han sido el caballo de batalla para conseguir el aumento de la corriente crtica de los materiales actuales.

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El material deja de ser superconductor si se sobrepasa la temperatura crtica, la corriente crtica o un campo crtico, aplicando un campo magntico suficientemente intenso. Existen, pues, tres lmites para la superconductividad: Tc, Ic y Bc. Estos no son valores constantes, sino que cada parmetro depende del otro, dando lugar a una superficie que limita la zona de trabajo, como puede verse en la figura.

Diagrama tridimensional representando los tres lmites de la superconductividad

1.4.1.1.2. CONDUCTOR PERFECTOUn conductor perfecto, segn el criterio de resistividad, ofrecera una resistencia nula al paso de corriente. Ello implica que el campo en el interior no puede variar. La derivada del campo respecto al tiempo ha de ser nula para que el flujo en el interior sea constante. Supongamos que tenemos un conductor perfecto en el interior de un campo magntico. El flujo que pasa por l es igual al rea por el campo magntico aplicado:

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=

BdSS

Si, ahora, hay un cambio en el campo, por la ley de Lenz (f.e.m.= d/dt), se inducen corrientes que circulan creando un campo opuesto para compensar la variacin del campo (Ley de Faraday: f.e.m. = RI L dI/dt). De este modo se inducen unas corrientes y una f.e.m. de forma que: -S dB/dt = RI L dI/dt En un circuito elctrico normal las corrientes inducidas se extinguen con una constante de tiempo L/R y el flujo magntico en el interior del material adquiere un nuevo valor. En un conductor perfecto esto no ocurre. Ya que la resistencia es cero, podemos escribir: S dB/dt = L dI/dt Luego SB + LI = Cte Donde SB + LI es el flujo magntico total dentro del material, y es constante, por lo que el campo tambin lo es en su interior. En la siguiente figura puede verse el comportamiento de un material que se convierte en conductor perfecto cuando lo enfriamos de dos formas diferentes: enfriado sin la presencia de campo, conocido como proceso ZFC y enfriado en presencia de campo magntico, el llamado proceso FC. En ambos casos, como dijimos, el campo en su interior ha de ser constante, ya sea de valor nulo o no.

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Procesos ZFC y FC en superconductores tipo II.

1.4.1.1.3. GENERALIDADES DE LOS SUPERCONDUCTORESLos superconductores de baja temperatura son aquellos cuya temperatura crtica es inferior a 30 K (este lmite debe ser revisado con la aparicin de los compuestos basados en MgB2 que llegan a 40 K) y su principal caracterstica es el diamagnetismo, es decir, la exclusin de campo magntico de su interior, lo cual se conoce como efecto Meissner. Este comportamiento es completamente diferente al de un conductor perfecto, que mantiene constante el flujo en su interior o sea, que la derivada del campo es cero.

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Estudiaremos ahora el comportamiento de los superconductores de tipo I y II atendiendo a los diferentes efectos que producen. EFECTO MEISSNER-OCHSENFELD En 1993 Meissner y Ochsenfeld midieron la distribucin del flujo magntico en el exterior de materiales superconductores que haban sido enfriados por debajo de la temperatura crtica en presencia de campo magntico (no tan intenso como para perder el estado superconductor). Lo que se esperaba es que el campo quedara atrapado como en el caso de un conductor perfecto, pero no es esto lo que sucede, sino que por debajo de la temperatura crtica, se vuelven diamagnticos, cancelando todo el flujo en su interior, incluso despus de haber sido enfriados en presencia de campo. Este experimento fue el primero en demostrar que los superconductores son algo ms que materiales con una conductividad perfecta. Tienen una propiedad adicional, un superconductor tipo I nunca deja que exista un campo magntico en su interior.

Exclusin del campo magntico en un superconductor tipo I.

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CORRIENTES DE APANTALLAMIENTO Para expulsar el campo del interior del material, el superconductor crea unas corrientes en la superficie denominadas Corrientes de Apantallamiento. Su misin es crear otro campo opuesto al exterior, de forma que el resultado de estos dos campos de un campo nulo en el interior. Como no puede existir campo en el interior, y una corriente es una fuente de campo magntico (Ley de Biort-Savart), las corrientes de apantallamiento no pueden pasar a travs del superconductor, porque se creara campo, sino que fluyen exclusivamente por la superficie. Su distribucin es muy complicada y, hasta el momento, desconocida para una configuracin genrica. Slo en algunas geometras muy particulares y con campo aplicado uniforme, se ha podido calcular estas corrientes de apantallamiento. PROFUNDIDAD DE PENETRACIN Las corrientes de apantallamiento no pueden fluir nicamente por la superficie. Si esto ocurriera, existira una capa de corriente con espesor nulo, lo que implicara que la densidad de corriente sera infinita, que es fsicamente imposible. Por lo tanto, las corrientes fluyen en realidad por una capa muy fina de la superficie, cuyo espesor es del orden de 10-7m (0,1 m), pero no nulo. La siguiente expresin caracteriza la penetracin del campo: B(x) = Baexp(-x/L)

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Siendo L la llamada Profundidad de Penetracin de London. L = o / (1 [T/Tc]4) Tc temperatura crtica del superconductor.

Profundidad de penetracin

MAGNETIZACIN Superconductores tipo I: B = o (H + M) = 0 M=-H Es decir, la permeabilidad magntica es nula, de ah la expulsin del campo magntico. - 42 Antonio Ortiz Casas

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Grfica M = -H.

La relacin entre el campo magntico externo aplicado y la magnetizacin es una recta de pendiente -1. Lo que quiere decir es que un aumento del campo aplicado, implica un aumento negativo de la magnetizacin que compensa al anterior de forma que la densidad de flujo magntico en el interior del superconductor se anule. Se dice entonces que est en estado Meissner. Esto ocurre hasta que se llega al campo crtico. Superconductores tipo II: El comportamiento de estos superconductores es diferente del de los de tipo I. Existen dos campos crticos Hc1 y Hc2 que marcan los lmites de un cambio en el estado superconductor. Cuando el campo aplicado es inferior a Hc1 el estado es el Meissner. Entre Hc1 y Hc2 permiten la entrada de flujo en el interior del material, habiendo pues en ste parte normal y parte superconductora. Se le conoce como estado mixto o estado Shubnikov. Este flujo penetra en cuantos de flujo = h/2e = 210-15 Wb. Los cuantos de flujo forman unos tubos llamados vrtices en los que el material est en estado normal. Estos vrtices se hallan rodeados por unas corrientes que los apantallan del resto de material superconductor. No puede haber una

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discontinuidad en el valor del campo, por lo tanto el valor del mismo debe decaer exponencialmente como se vio en la seccin de profundidad de penetracin, penetrando as en la zona superconductora. Estos tubos se distribuyen de forma que minimizan la energa total de sistema formando una red triangular llamada Red de Abrikosov4.

Penetracin del campo en material a travs de la red de vrtices

Relaciones induccin-campo e intensidad-campo

La gran diferencia entre ambos tipos de superconductor, adems de este comportamiento distinto, es la magnitud del campo crtico superior. En un superconductor tipo II el campo crtico superior Hc2 puede llegar a ser de 200 T (YBCO) [Hc1 sin embargo 0,1T]. Esta es la razn de su uso preferencial respecto a los de tipo I (Nb 0,2 T, Nb3Sn 20 T).4

Premio Novel de fsica.

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CORRIENTE CRTICA La corriente que circula por un superconductor no produce ninguna disipacin de energa, no hay prdidas elctricas. Esta corriente, como se ha visto, debe circular por la superficie del superconductor (de ah que dichos cables sean extrafinos) en superconductores tipo I. Los superconductores tipo II, en cambio, permiten que se establezca un campo en su interior cuando se supera Hc1. Hay, por tanto, en presencia de campo externo, dos clases de corrientes en su superficie: de apantallamiento para excluir el flujo y de transporte.

Diagrama campo-induccin-densidad de corriente.

Experimentalmente, se ha comprobado que la corriente de transporte que puede circular por un superconductor est limitada mientras se mantiene este estado. La densidad de corriente crtica Jc, incluye ambas corrientes. Esta puede ser del orden de 105 A/cm2 a 77 K. En el caso de superconductores de tipo II, la densidad de corriente ingenieril, la que se debe utilizar en el caso de aplicacin de cables superconductores para el transporte de energa, resulta de suprimir estas

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corrientes de apantallamiento y dems factores como incluir la seccin de la matriz de Cu o Ag en el rea eficaz del cable, etc. Esta suele ser 4 5 veces inferior a la Jc. En superconductores tipo I: Esta densidad de corriente crtica es un lmite. Si se supera su valor, el estado superconductor desparece. En superconductores tipo II: La relacin entre Tc, Hc y Jc; es ms complicada. Cuando se pasa al estado mixto, la corriente fluye por todo el material. Coexisten dentro del material vrtices de flujo en zonas de estado normal y corriente en zonas de estado superconductor. Puesto que en los lmites de los tubos hay un decaimiento exponencial de flujo, parte del mismo penetra en la zona por donde pasa corriente elctrica (zona superconductora), producindose fuerzas de Lorentz que tienden a mover los vrtices. Se produce entonces una variacin del campo magntico que provoca un campo elctrico. Este campo elctrico acta sobre los electrones que estn en la zona normal del material, o sea, con resistencia no cero, produciendo disipacin de energa5. En resumen, en un superconductor tipo II, la corriente crtica es cero al sobrepasar Hc1. Para evitar este contratiempo se introducen centros de anclaje que impidan la migracin de los vrtices. Se puede decir que la corriente crtica de un material depende de la habilidad que tiene el fabricante de introducir defectos en la red que permitan un fuerte anclaje de los tubos de flujo. Actualmente se usan dos tcnicas para producir centros de anclaje:

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Ver N-Valor en la ltima pgina de esta seccin.

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Precipitados normales. Se consiguen introduciendo en el Defectos en la red cristalina.

material superconductor partculas de material normal.

Anclaje de los vrtices en defectos de la red.

1.4.1.1.4. FUERZAS DE LEVITACINLos sistemas de levitacin magntica basados en imanes permanentes son sistemas inestables. En cambio, cuando se utilizan superconductores, el comportamiento respecto a la levitacin vara radicalmente, convirtindose en un sistema totalmente estable. Cuando acercamos un imn a un superconductor o viceversa, en un principio, el campo magntico del imn no penetra en el interior del superconductor, generndose una serie de corrientes de apantallamiento en este ltimo que repelen el campo. De este modo, aparece una fuerza de repulsin entre ellos. Si continuamos acercndolos, llega un momento que se supera el primer campo crtico, y comienza a penetrar campo en el superconductor. Debido al anclaje de los vrtices, el campo que se va introduciendo queda atrapado. Si ahora se intenta aumentar la separacin relativa entre el imn y el superconductor, al estar el campo atrapado en este ltimo, se genera una tensin magntica que se traduce en una fuerza de - 47 Antonio Ortiz Casas

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atraccin mutua. Esta distancia relativa es pues un punto de equilibrio estable. Las fuerzas mencionadas no son slo verticales, sino tambin laterales, siendo la estabilidad total. MODELO DE ESTADO CRTICO Podemos establecer con cierta facilidad dos lmites entre los cuales queda el comportamiento real del superconductor: el lmite Meissner y el de anclaje perfecto o Frozen Field Limit. Cada uno de estos lmites est asociado a cada uno de los procesos FC y ZFC respectivamente. El primer lmite corresponde al de los superconductores tipo I. Y el segundo, al mximo limite en los de tipo II por encima de su primer campo crtico. Esto ltimo se refleja en un fuerte comportamiento histrico en dichos materiales Aproximacin de Bean: El campo penetra linealmente en el superconductor tipo II geometra cilndrica segn la expresin: Baxial = o Jc r As, en un proceso ZFC, si tras someter al superconductor a un campo, ste se retira, las corrientes continuarn estando indefinidamente, ya que al no haber resistencia elctrica no se disipan en forma de calor. Por lo tanto, el material queda magnetizado convirtindose en un imn permanente mientras se mantenga refrigerado. Este sistema se utiliza para la construccin de de

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imanes permanentes de campo muy alto. Se ha llegado a campos remanentes de hasta 4 T en muestras pequeas. En el estado Meissner, como ya se describi en la anterior seccin, la relacin entre M y H es una recta de pendiente menos uno. Esto ocurre hasta que H llega al valor Hc1 (el cual es bastante pequeo), donde comienza a penetrar campo en el interior del material. Este campo se va introduciendo linealmente, aumentando poco a poco, y la magnetizacin disminuyendo hasta la saturacin. De ah la histresis de estos materiales. En un proceso FC, al existir campo al enfriarlo, el campo penetra totalmente en el interior del material, y por tanto es constante. En este caso, el proceso histrico es el complementario, la magnetizacin aumenta hasta saturacin. Se han realizado modelos que perfeccionan a la aproximacin de Beam considerando la Jc no constante como el de Kim: Jc = cte / Ho + H O el de B. Martinez, que coincide con el de Yashukoshi: Jc = cte / H1/2 Las fuerzas entre superconductores e imanes debidas a estos efectos histricos y dadas por la integral del producto de M por B de uno y otro respectivamente, son la teora bsica del funcionamiento de los motores de bloque superconductor.

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1.4.1.1.4. PERDIDAS EN SUPERCONDUCTORESEn efecto, los superconductores tienen prdidas al transportar la corriente. Hablamos en este caso de los superconductores de tipo II, sus homlogos de tipo I estn libres de toda prdida. Estas prdidas estn basadas en la penetracin del campo en el interior del superconductor. Ya vimos la histresis de estos materiales, sta es una de las prdidas. Otras son producidas por corrientes inducidas en el interior del material (en la zona no superconductora) y las ltimas son debidas al paso de la corriente misma, una pequea parte de la misma penetra en la zona no superconductora y genera prdidas (debida al efecto de penetracin de las corrientes de los vrtices). PERDIDAS POR HISTRESIS Y CORRIENTES INDUCIDAS Hace unos aos los materiales superconductores de tipo II no podan usarse en corriente alterna, o al menos a frecuencias superiores a unos pocos herzios, ya que el cable se degradaba con mucha facilidad y adems estas prdidas calentaban al superconductor que precisaba de ms refrigeracin. La mejora de la matriz que aloja al material cermico y la mejor densificacin del mismo han posibilitado una mayor permisin en la variacin de la corriente, con lo que han podido usarse en corriente alterna sin apenas prdidas. Estas prdidas pueden modelarse, para frecuencias inferiores a 500 Hz, mediante la siguiente expresin: PprHRS = Khf + Kef2

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Donde el primer trmino representa las prdidas de histresis y el segundo representa las prdidas por corrientes inducidas en el material superconductor. PERDIDAS DEBIDAS AL PASO DE LA CORRIENTE: EL N-VALOR En la comunidad cientfica es asumida la siguiente norma que define la Ic del HTS: Ec = 10-4 V/m (V/cm) Debido a que el n-valor (n es el valor del exponente, pero a esta ecuacin se la conoce como n-valor) es muy alto, y: E = Ec (I/Ic)n En algunas aplicaciones la disipacin de potencia dada por P = EI no es medible si I tan slo est un poco alejado de Ic. Para un cable con I = 100 A, y l = 1 km, si trabaja a I = Ic: P = (El)I = 10-4 103 102 = 10 W ! Si el valor de n~10, trabajando a 0.6 Ic: P = 0.06 W !!! entre estos dos valores (65%)6.6

(un 0.6% del valor anterior)

Trabajando al 70 %, la prdida es del 2.8%. En nuestro caso estamos

En nuestro modelo: 10-6(20polos 5m 300esp 30.000 m) = 0,03 V, con 100 A, 3 W!

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1.4.1.2. EVOLUCIN EN LAS CARACTERSTICAS DE LOS HTSEn el 1998, los HTS disponibles en el mercado no posean las caractersticas necesarias como para ser utilizados en la fabricacin de mquinas elctricas, su baja intensidad crtica y su vulnerabilidad al campo exterior aplicado los hacan no aptos. Adems su precio era carsimo, del orden de 300 400 $/KAm7. A finales de 1999, cuando la tcnica PIT (powder in tuve) se mejor y aplic de forma industrial, las prestaciones de estos cables mejoraron notablemente sin elevar sus precios. As, en poco ms de un ao, la Je8 pas de 8 kA/cm2 a 12 kA/cm2, mantenindose el coste en 300 $/KAm. En el 2000, estos cables haban mejorado sus caractersticas hasta poseer una Je ~ 14 kA/cm2, y su precio, debido al aumento de la demanda (ya que estas mejoras posibilitaron un avance en construccin de mquinas elctricas con devanados superconductores), mantuvo su precio en el mismo valor. En el 2002, el precio de los cables se haba reducido ya a 200 $/kAm, un 33% ms bajo. En el 2003, American Superconductor anuncia la instalacin de una nueva planta en Denver, Massachussets, para 2004 que, funcionando a pleno rendimiento (20 veces ms capacidad, 10.000 Km cable/ao), conseguira abaratar los precios de HTS hasta los 50 $/KAm.

Todos los precios a los que nos referimos corresponden a la intensidad crtica del conductor en kA a 77 K campo nulo atravesando el conductor. La mitad del precio correspondera a un cable a 27 K (Nen lquido) y 1 tesla perpendicular al conductor por ejemplo (icrtica ms del doble). 8 Densidad de corriente ingenieril : prctica en diseo, una vez tenidos en cuenta todos los factores limitantes.

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En el 2004, mejoras en el curado de la tcnica de los cables y extrusin de los mismos, generan un aumento de los valores de las caractersticas de los mismos. La densidad de corriente admisible (ingenieril) alcanza los 16.100 A/cm2, siendo la terica tres veces mayor. Los costes se reducen ligeramente debido a la mejora en la eficiencia y automatizacin del proceso. Este mismo ao A.S. manufactura 160.000 metros de cable superconductor slo para uso naval (motores / generadores), y ms de 500.000 metros en total. A mediados del 2005, la nueva planta de American Superconductor aumenta las ventas hasta 600.000 metros slo para uso naval (en un ao se ha cuadriplicado la produccin). En su segundo ao de operacin las ventas totales se multiplican de nuevo. Se estima que siguiendo esta evolucin en su produccin, el cable rondar los 75-125 $/KAm para 2006-7.

Evolucin de la potencia en los motores superconductores en los ltimos aos debido a la mejora de caractersticas de los cables HTS

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Paralelamente a estos aos, el cable HTS de segunda generacin (2G), de lminas de YBCO depositadas sobre un sustrato y superpuestas a modo de sndwich, se desarrolla y estudia. Se cree que entre 2006 y 2007 entrar en el mercado, con densidades de corriente admisibles algo mayores y mucha mayor inmunidad al campo. Su precio rondar los 100 $/KAm, pero este cable todava est algo lejos de su llegada definitiva.

Sustratos que conforman los cables 2G.

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El cable superconductor de 1G conformado hoy da posee la estructura representada a la izquierda. A su derecha, el nuevo cable 2G:

Cables 1G y 2G.

El cable 1G es multifilamento, embebido, como se ha mencionado, en una matriz de un elemento soporte conductor, como es la plata. El cable utilizado en el proyecto fue elegido de entre la gama de modelos que poseen cada uno de los diferentes fabricantes. Se opt por un cable desarrollado por Amrican Superconductors, y de entre los disponibles, se ha elegido el de mayor transporte de energa, el que posee mayor intensidad crtica, ya que otras caractersticas como la resistencia a traccin, impermeabilidad o ablandamiento no son requisitos esenciales en el proyecto a tratar. Estas son las caractersticas del cable:

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En el anterior cuadro se muestran dimensiones, densidades de corriente ingenieriles e intensidad crtica.

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En el siguiente dibujo se da la relacin entre el campo y la intensidad crtica en dicho cable, es decir, cmo afecta el campo (perpendicular y paralelamente, ya que al poseer dicho cable una fuerte anisotropa, las propiedades en diferentes direcciones son totalmente diferentes) al atravesar el cable:

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Estimaciones basadas en otros modelo de caractersticas parecidas al nuestro, como el prototipo realizado en la Universidad de Southampton (U.K.), indican que el cable estar atravesado por un campo de, como mximo, unos 0,03 T en direccin paralela al mismo (el campo paralelo apenas afecta) y unos 0,02 en direccin perpendicular9. Posiblemente, en nuestro caso, este valor sea ms bajo, ya que la especial disposicin del cable y la geometra de nuestra mquina hacen que el paso del campo por ellos presente un camino de grandsima reluctancia. Esto se ver con ms atencin en la seccin de clculos justificativos. As pues, se puede estimar que la intensidad de trabajo de los cables ~ ms de 100 A, aproximadamente el 65% de la Ic.De valor medio. Estos campos son bajsimos debido a la especial configuracin de los devanados del rotor con anillos divergentes, unas piezas de material magntico entre las bobinas que evitan que el campo atraviese los HTS actuando como camino del flujo e impidiendo que este atraviese las bobinas.9

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1.4.2. CRIOREFRIGERACIN* * *

1.4.2.1. ESCENARIO BASELa criorefrigeracin es el proceso de refrigeracin a muy / extremadamente bajas temperaturas10. En el 2000, y debido al desarrollo de las caractersticas de los cables superconductores que posibilitaron la construccin de mquinas elctricas, el Departamento de Energa de los E.E.U.U. establece un programa de desarrollo de la tecnologa de refrigeracin a muy bajas temperaturas. Dicho programa (Superconducting Program for Electric Systems) pretende, en el plazo de cinco a siete aos, conseguir una mejora tcnica (en disponibilidad, tamao y complejidad de sistemas), econmica (precio y volmenes de venta) y un aumento en la eficiencia de esta tecnologa con el fin de su implantacin en el mercado industrial; ya que sin el desarrollo de estos equipos, se ve limitado el desarrollo de prototipos refrigeracin presentar un serio obstculo. Estos objetivos empezaron ya en el ao 1998 a travs de otros tres documentos, que pretendan incentivar el desarrollo y mejora de estos sistemas a travs de la inversin privada. El mapa temporal esperado es el siguiente:10

HTS, pues

su

Se consideran muy bajas temperaturas las que estn por debajo de la licuefaccin del oxgeno, del orden de los 150 K.

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2001: equipos criognicos de SPI (Superconducting Partnership Initiatives) 2002: primeros trabajos en colaboracin y reuniones de grupos. 2003: probar primeros prototipos de alta eficiencia 2004: implementarlos a sistemas reales 2005: campos de prueba y mejora 2006: refinamiento de modelos 2007: primera entrada en mercado

1.4.2.2. EFICIENCIASe suele denominar eficiencia al rendimiento absoluto del sistema, o sea, a la fraccin del rendimiento mximo o rendimiento de Carnot: c = Tc / (Th Tc) Tc es la temperatura del foco fro (cold) Th es la temperatura del foco caliente (hot) El foco caliente se suele considerar, como cifra redonda, 300 K. A 77 K, este c o mx es 34,5%, a 64 K es 27%, a 35 K 13% y a 4.2 K es 1,4%. A este rendimiento, hemos de superponer el rendimiento termodinmico de la instalacin, o sea, la eficiencia relativa respecto a la mxima. El objetivo del mencionado plan est en llegar a un 30% del mismo (slo se ha conseguido aproximarse a este valor para potencias muy grandes y refrigeracin a 80 K), aunque ste es mucho ms fcilmente alcanzable a 77 K que a 30 K, por ejemplo, debido a que al disminuir la temperatura,

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diversos componentes que generan friccin contaminan mucho ms el espacio fro debido al mayor gradiente de temperaturas, siendo el rendimiento peor. As pues, aadiendo este factor a una mquina que refrigera nitrgeno (77 K), obtendremos un rendimiento global de 0,3450,30 = 10,35%. Para 64 K ste sera de 8%. Para inferiores temperaturas, un rendimiento del 30% el de Carnot supone una sobreestimacin del sistema, si suponemos un 20% para 35 K, el rendimiento global ser del 2,6%. Idealmente, los rendimientos de nuestra mquina son cuatro veces mayores que en un sistema refrigerado a 35 K, como podran ser las mquinas de rotor hueco, aunque tcnicamente sern superiores. En el 2000 se posean equipos de refrigeracin de nitrgeno del 25% sobre el de Carnot (experimentales y de altas potencias). En 2001 los rendimientos de mquinas comerciales eran ya de ms del 20% para 77 K, y del 8 % para refrigeracin a 35-40 K. Lo que supone unos rendimientos totales del 8.63 % y del 1 %, lo que supone un gasto en refrigeracin casi 9 veces mayor. Esta comparativa refleja muy bien el por qu de la eleccin de la mquina y la refrigeracin utilizada, ya que las prdidas por refrigeracin en la misma son casi un orden de magnitud menor. Como referencia se sola tomar el rendimiento total de una instalacin de refrigeracin del 5 % para el nitrgeno, y el 0,1 % para el helio lquido. Estos rendimientos han mejorado. Factores que afectan a la eficiencia del sistema son: Temperatura de operacin, como ya hemos visto. Disipacin de corriente elctrica (AC/DC) Geometra.

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El coste de refrigerar con un crycooler con eficiencia del 30 % (rendimiento sobre Carnot) es equiparable a refrigerar utilizando nitrgeno comprado en cantidades industriales11. Se pretende llegar a disponibilidades del 99.8%, y mantenimiento 0. La eficiencia de un cryocooler est ligada a su tamao, tipo de tecnologa y ciclo termodinmico empleado. El ciclo que mayor eficiencia consigue es el Stirling. A parte de las mejoras en las caractersticas de los HTS sobre los LTS mencionadas en el captulo anterior, otra de las conveniencias de usar HTS viene dada por el siguiente estudio asociado a la criorefrigeracin: El calor especfico del Bi-2223 es aproximadamente Cv = 0,8 J/cm3K a 77 K. Un tpico valor del mismo para un LTS convencional es Cv = 0,00576 J/ cm3K a 4,2 K. El ratio de calor especfico entre ambos es CvBi /CvLTS ~ 139. Para HTS operando a 90 K, se da un T = Tc Top = 110 20 = 90, mucho mayor que 13.85 K para Nb3Sn (18.05 4.2) y 5.3 para el NbTi (9.5 4.2) operando a la temperatura del helio lquido, incluso. Los mayores valores de Cv y T conducen a una mayor estabilidad del Bi-2223, incluso operando a 77 K estos valores son ampliamente superiores. Cuando consideramos una instalacin abierta, hay que considerar la evaporacin del fluido. El calor latente de vaporizacin para el nitrgeno y el helio son respectivamente 198,65 kJ/Kg y 20.41 kJ/Kg, el cual ofrece al nitrgeno una mayor estabilidad en la operacin. Los HTS pueden ser refrigerados a 20 K poseyendo iguales o mejores cualidades que los LTS. Para aplicaciones ligeramente inferiores, con campos atravesando los conductores no muy elevados, como pudiera darse en superbobinas, pueden ser refrigerados a 40 K. Y cuando stos estn sometidos a un bajo campo (~0,02 T), se puede aumentar la eficiencia de la instalacin refrigerndolos a 77 K.11

Se ver en la seccin dedicada a coste del nitrgeno lquido en la seccin de estudio econmico.

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1.4.2.3. TECNOLOGAS-Cryocoolers de ciclo recuperativo: turbo-Brayton . Joule-Thomson ciclos: poco utilizado. -Cryocoolers de ciclo regenerativo: Stirlong cycle: los ms eficientes. Gifford McMahon: los ms usados en estas aplicaciones hasta el momento. Pulse tube: sor los ms compactos y pequeos, su desarrollo es espectacular. El rendimiento es muy bueno debido a que no tienen partes mviles fras. -Hibrid open loop systems.

Otros menos usados y ms novedosos son: -Pulse tube refrigerators (no cryo.): es el ms prometedor candidato a alcanzar la eficiencia deseada del 30%, debido a que no posee partes mviles a baja temperatura. Los hay de ciclo Stirling, con mayores eficiencias pero menores capacidades de refrigeracin (25%), y Gifford-McMahor de antagnicas caractersticas. Si las potencias mayores de estos prototipos son llevadas a la prctica, no sera extrao llegar al 30 % de eficiencia. -Enfriadores termoelctricos: Siguen la siguiente ley: E = Q Kgrad T y ZT = Q2KT/ K: conductividad trmica del material : conductividad elctrica del material - 63 Antonio Ortiz Casas

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Recientemente se han descubierto elementos metlicos de las tierras raras mezclados con semiconductores (ferroelctricos), que para un crecimiento de grano determinado poseen valores de ZT~ 10 a 77 K, lo cual los convierte en potenciales absorbedores de calor. Se esperan eficiencias superiores al 30% para 2007

COSTES12: Se pretende llegar hasta los 25 / w de calor instalado (desalojado) en refrigeracin como coste capital del equipo asociado a sistemas HTS. En el 2001, estos costes eran de 100 / w. Slo con economas de escala estos precios podrn ser rebajados hasta valor de 25 / w, y sin un mercado de 10.000 unidades / ao, ser difcil llegar siquiera a 50 / w.

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Se entrar en detalle en la seccin dedicada al estudio econmico

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2.1.2. POSIBLES ALTERNATIVAS

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2.1.2.1. TECNOLOGA BASADA EN EL USO DE MQUINAS DE FLUJO AXIAL:

La tendencia hacia turbinas elicas de mayor potencia conduce a minimizar el tamao y peso de los generadores elctricos para no penalizar el peso y las dimensiones mximas de la gndola en las turbinas elicas y poder emplear torres ms livianas. A tal efecto estn en fase avanzada de desarrollo una serie de generadores que no siguen el diseo tradicional y buscan una mayor relacin potencia / peso: las mquinas de flujo axial. Estos modelos son especialmente recomendables en aplicaciones donde se cumplen los siguientes condicionantes: -Bajas velocidades. -Pares elevados. -Pesos de mquina necesariamente bajos -sobrecargas elevadas y frecuentes

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El par de dichas mquinas, comparado con el de las clsicas de flujo radial, es: TRADIAL= dD2L TAXIAL= dD3 d : Densidad de par (Nm/m3) Para mquinas pequeas y medianas, el ratio que compara la densidad de potencia para mquinas similares (un rotor y un estator)13 es: =

1 axi = (1+ /16 ) rad p

Que como se ve, es funcin del nmero de pares de polos. De donde se desprende que para mquinas multipolares, las mquinas axiales tienen mayor densidad de potencia.

Grfica ratio de densidad de potencias n pares de polos.

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Las mquinas de flujo axial pueden tener varios rtores o esttores

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El par desarrollado por una mquina de flujo axial, viene dado por la siguiente frmula: T = kt CBDo3K(1-K2) Dimetros referidos al estator y con rotor exterior. longitudes en metros. Siendo: K : Din/Do, dimetros interior y exterior del estator. C : corriente por unidad de longitud en la zona inferior del estator (A/mm)14 C = 32NImax / Din N : nmero de vueltas por fase del bobinado estatrico.kt : constante que depende de la distribucin de flujo en el entrehierro. Esta expresin alcanza su mximo par cuando: K = 1/ 3 , valor conocido desde 1974. B en tesla y

Normalmente se escoge K entre 0.6 y 0.7 porque entre estos valores se encuentra el valor de la densidad de par mayor, que no tiene por qu coincidir con el mximo par. Para aplicaciones donde el peso es un factor crtico, como en propulsin naval, K es del orden de 0.8. Como norma general, a partir del parmetro K = Din/Do, se establece el nmero de pares de polos ptimo para desempear la mxima potencia.

14

Tambin llamado capa de corriente

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Una expresin an ms simplificada, suponiendo que la mquina es capaz de desalojar todo el calor producido por efecto Joule sin problemas, es la siguiente: T = KR3,5 K : depende de parmetros trmicos y geomtricos. CLASIFICACIN:

En rojo estn marcadas las mquinas ms empleadas as como las que se est dedicando un mayor esfuerzo en investigacin. La primera clasificacin que se puede hacer de las mquinas axiales, vendra dada por la forma de generar la corriente magnetizante:

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Mquinas de imanes permanentes (AFPM) o sncronas:

En esta mquina la direccin del flujo es paralela el eje de rotacin. Presenta, segn el esquema estudiado, mltiples configuraciones. Unos ejemplos son: -Rotor en forma de disco, con los imanes permanentes a lo largo de su permetro y dos esttores devanados a ambos lados. -Otra configuracin es la contraria, de dos rotores con los imanes permanentes flanqueando al estator, con los devanados alimentados en el centro de ambos rotores. En ambos casos, el flujo producido por los polos del rotor fluye por dos entrehierros en forma de anillo, paralelamente al eje del motor, hacia el ncleo del estator. Esta disposicin nos da un motor monofsico. Se pueden apilar en el mismo eje tres generadores acoplados a una red trifsica para constituir un generador trifsico. Es obvio que se puede constituir un generador tetrafsico o de cualquier nmero de fases que se unira al rectificador correspondiente, consiguindose una disposicin ms barata. La densidad de par que se obtiene en funcin del dimetro de la mquina es de 3 a 4 veces la de un generador sncrono de y 5 veces la de un generador asncrono, ste con un dimetro menor pero con mayor longitud (igual volumen).

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- Mquinas de induccin (AFIM) Estas mquinas no son muy estudiadas en la actualidad. * Otra clasificacin podra ser: -Mquinas de rotor rasurado (AFSM) En estas, los conductores del rotor se alojan en ranuras practicadas en el estator, lo que tiene la ventaja de la robustez mecnica, pero ocasiona una variacin en la reluctancia del circuito magntico que ve el rotor al girar, ocasionando pulsaciones o armnicos de par que pueden ser muy importantes (par de ranura). Otra causa de pulsaciones es el rizado del par que depende de la forma de la onda de la fuerza magnetomotriz, que depende, a su vez, del circuito magntico de la mquina y la forma de las corrientes del estator. -Mquinas sin ranuras (AFSLM) En las mquinas sin ranuras el bobinado del estator va directamente bobinado sobre ste, que tiene forma toroidal. Con el fin de aumentar sus propiedades mecnicas va recubierto o embebido en resina epoxi. Con ello se elimina el par de ranura, pero presenta la desventaja de tener una inductancia de fase muy baja, lo que hace que el control del campo sea prcticamente inexistente. * *

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AFIM con estator sin ranuras y bobinado toroidal

-Mquinas de rotor interior (AFIRM) -Mquinas de rotor exterior (AFERM) stas aprovechan mucho mejor el estator (se emplean ambas caras para producir par), y las prdidas por efecto joule son mucho menores (del orden de un 60% menores).

Diferentes disposiciones de mquinas de flujo axial.

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De esta clasificacin deriva la siguiente: -Mquinas monoetapa, de un solo bloque (AFSSM) -Mquinas multietapa (AFMSM)

Por ltimo otra clasificacin dependiendo de si los polos del estator y rotor estn enfrentados con igual polaridad o distinta: -Mquinas N-N (AFM-NN)

Configuracin de rotores y estator de mquina AFM-NN.

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-Mquinas N-S (AFM-NS)

Configuracin de rotores y estator de mquina AFM-NS.

Importante destacar el estudio que la UPC (Universidad Politcnica de Catalua) est realizando sobre mquinas de flujo axial de doble induccin y rotor slido (aluminio o superconductora), a travs de diversas tesis doctorales. Son los llamados RB, donde se encuentran los RB-1, RB-2, RB-3 (ste de rotor superconductor), RB-4 y DASER.

Modelo RB.

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La tecnologa DASER es la ltima en ser investigada, los estudios empezaron entre los aos 2003 y 2004. Se trata de mquinas huecas, diseadas para trabajar a mayor frecuencia, por lo que su uso como motor s es relevante, pero como generador a nuestras rpm es nulo.

Modelo DASER.

Se observa lo compacto de sta mquina, aun presentando ausencia de hierro.

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Modelo DASER.

Actualmente en aerogeneracin, los ms estudiados son: -GENERADORES AFPM Son los ya mencionados en la seccin estado actual de la tecnologa. -GENERADORES TFPM Se trata de una mquina con una configuracin compleja de flujo.

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Esta mquina posee un rotor con imanes permanentes que interaccionan con el flujo producido por el devanado del rotor que corre alrededor del permetro de la mquina, con los ncleos del estator en forma de U invertida en planos radiales.Su densidad de par respecto al volumen es tambin alta, del mismo orden de la mquina AFPM. En los dos tipos AFPM y TFPM se trata de mquinas de construccin compleja, con un clculo asimismo difcil, por tratarse de configuraciones de flujo que se mueven en tres dimensiones en lugar de las planas habituales en las mquinas convencionales. Otro punto desfavorable es su bajo cos, lo que conduce a tener que instalar un convertidor electrnico de mayor potencia para acercar el mismo a uno. Este modelo consta de unas piezas en U que rodean a los conductores activos, piezas que forman el circuito magntico de la mquina. En la parte correspondiente a los extremos de cada U se encuentran los imanes permanentes del rotor exterior. Su diseo y aspecto son compactos. En cualquier caso, ambos tipos de mquinas se encuentran en la fase de prototipos, pero su gran densidad de par, lo que supone un menor tamao, puede convertirlas, una vez superada la fase de pruebas, en firmes candidatas para los aerogeneradores futuros de gran potencia.

Todos

los

generadores

comentados

de

flujo

axial

e

imanes

permanentes, poseen el gran inconveniente de su mala regulacin debido a su excitacin fija. Esto implica el uso de una electrnica de potencia ms cara que permita regular la variacin de potencia ella misma.

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2.1.2.2 TECNOLOGA BASADA EN EL USO DE SUPERCONDUCTORES

Desde el descubrimiento de los superconductores de tipo II, y paralelamente a la mejora de sus caractersticas, han ido apareciendo multitud de aplicaciones que abarcan casi todos los campos de la tcnica. Entre ellos, la electrotecnia con transformadores, limitadores de corriente, almacenamiento magntico de energa, conduccin de energa elctrica sin prdidas y varios tipos de motores y generadores. En este apartado se presenta el estado actual de la aplicacin de los materiales superconductores a los motores y generadores. Los materiales superconductores presentan un comportamiento

histertico al ser sometidos a ciclos variables de campo magntico. Los superconductores tipo II son materiales con memoria, cuya magnetizacin depende fuertemente de la historia previa a las condiciones actuales de trabajo. Cada vez que se recorre un ciclo de histresis se producen prdidas proporcionales al rea de dicho ciclo. Este hecho hizo que los primeros motores en los que se pens fueran aquellos en los que se mantuviera un estado estable, con al menos un conductor recorrido por corriente continua, como pueden ser mquinas homopolares de corriente continua o motores sncornos. Ms tarde, con materiales superconductores con fuertes centros de anclaje que dificultan el movimiento de los vrtices, se han diseado y construido motores de induccin, y de reluctancia.

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Dado el peculiar ciclo de histresis de los superconductores, tambin se han construido motores que aprovechan precisamente las prdidas de histresis para producir par. Son los motores de histresis. Existen aplicaciones donde las altas prestaciones son preponderantes y el rendimiento queda en un segundo plano. Un claro ejemplo son los motores para aplicaciones de baja inercia y grandes velocidades: un rotor cuyo material activo presente un componente diamagntico puede levitar. Se puede pensar, pues, en motores con rotor superconductor que leviten, evitando, por lo tanto, la necesidad de cojinetes mecnicos. Los cojinetes siempre tienen asociadas velocidades mximas, prdidas de friccin, necesidad de mantenimiento y sustitucin. ESQUEMA MOTORES/GENERADORES SUPERCONDUCTORES A)

BLOQUES SUPERCONDUCTORES: atrapado Histresis Reluctancia Histresis y devanado superconductor en estator

B)

GENERADORES DEVANADOS:Excitacin superconductora, configuracin clsica: Hbrido 1 Rotor y estator huecos 2 Rotor hueco, estator de macizo. 3 Rotor macizo, estator macizo.

Homopolar

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A) MOTORES GENERADORES CON BLOQUES DE SUPERCONDUCTOR

Estas mquinas pueden tener el devanado inductor como los motores clsicos, de cobre, o de cable superconductor como los indicados en el apartado siguiente. El material activo del inducido est formado por bloques de superconductor, acompaado o no de material ferromagntico segn los casos. El principio de funcionamiento de los motores construidos de esta forma es parecido al de los motores clsicos homnimos, pero con las caractersticas diferentes que les proporciona el material superconductor. Los ms construidos han sido motores de reluctancia variable, de histresis y sncronos. A partir del desarrollo de Y-Ba-Cu-O texturado que actualmente est disponible con densidades de corriente superiores a 4107 A/m2 a la temperatura del nitrgeno lquido, muchos investigadores han construido y estudiado motores