5.Análisis de los Generadores de Accionamiento Directo

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5 Análisis de los Generadores de Accionamiento Directo
En el presente capítulo se realizará una presentación de los principios de conversión
electromagnética en los que se basa la generación de energía eléctrica a través del uso
de generadores, tras esto se realiza un análisis de los generadores de accionamiento
directo y los distintos dispositivos que utilizan dicha tecnología, presentando su principio
de funcionamiento, su estado de desarrollo y sus principales ventajas e inconvenientes.
Situaremos mediante la Figura 33 esta tipología de generación en función de las
distintas clasificaciones que se presentaros en el capítulo anterior.
Figura 33.- Posicionamiento de la tecnología a analizar
Como se muestra en la figura, los generadores de accionamiento directo están
diseñados para su instalación en aguas profundas, aunque existen autores que piensan
que quizás fuera más adecuada su instalación en aguas intermedias de manera que se
facilite su accesibilidad y se reduzcan costes de mantenimiento [Carbon Trust, 2006].
Se comienza por tanto el capítulo con una presentación de los conceptos básicos en los
que se sustenta el principio de conversión electromagnética de la energía.
Las máquinas eléctricas son dispositivos que convierten energía mecánica en energía
eléctrica, en su funcionamiento como generadores, o viceversa si estos funcionan como
motores, utilizando el campo electromagnético como soporte para dicha conversión.
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Con los valores habitualmente utilizados para las intensidades de campo eléctrico y de
campo magnético (y que vienen impuestos fundamentalmente por las propiedades de
los materiales electrotécnicos normalmente disponibles) la mayor parte de la energía se
transforma utilizando como medio de acoplamiento el campo magnético, cuya densidad
de energía es típicamente cinco ordenes de magnitud superior a la del campo eléctrico
[Sanz, 2004]
La relación fundamental que rige el comportamiento de un circuito magnético viene
dada por la ecuación de Maxwell:
rotH = J +
∂D
∂t
(Ecuación 1)
En esta expresión, el segundo sumando de la derecha de la igualdad representa el
efecto de las corrientes de desplazamiento, que en la gama de frecuencias utilizadas
industrialmente (de hasta unos centenares de Hz) es totalmente despreciable frente al
primer sumando, que representa el efecto de las corrientes de conducción. La ecuación
anterior se puede escribir en forma integral, aplicando el teorema de Stoke, de la forma:
∫ H = ∫ ∫ Jds (Ecuación 2)
donde J representa la densidad de corriente, ds es el elemento de superficie, H es la
intensidad del campo magnético y dl el elemento de longitud de la línea cerrada Γ que
delimita la superficie S. Esta relación es válida sea cual sea dicha superficie, con tal de
que se apoye en la misma línea Γ . Si, como es el caso normal en máquinas eléctricas, la
corriente circula por conductores, la integral de superficie toma valor nulo en todos los
puntos excepto en los correspondientes a la sección transversal de los conductores y se
obtiene:
∫ ∫ Jds =F = ∑ I
j (Ecuación 3)
La magnitud F se denomina fuerza magnetomotriz (f.m.m.) y representa la suma de las
corrientes de que produce dicho campo magnético. En la mayor parte de los circuitos
magnéticos que se dan en la práctica se puede elegir como línea Γ una línea de fuerza
y suponer que H es constante en cada tramo del circuito.
Éste es el caso de circuito magnético de la Figura 34.-Teorema de Ampère. Circuito
toroidal con dos materiales formado por una pieza de forma toroidal interrumpida por
un pequeño espacio de aire o entrehierro. Si suponemos que el radio medio del toroide
es mucho mayor que el radio de la sección recta del mismo podemos admitir que el
campo magnético es uniforme en su interior (H=cte en cualquier sección recta) y su
dirección coincide en todo momento con la tangente al eje del toroide ( Γ ). Por tanto se
puede escribir la ecuación 2 con la forma siguiente:
∑H l
j j
= F = NI (A v)
(Ecuación 4)
ya que ahora tenemos una corriente de I amperios que atraviesa N veces cualquier
superficie que se apoye sobre la línea Γ .
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Figura 34.-Teorema de Ampère. Circuito toroidal con dos materiales
La densidad de flujo o inducción magnética (B) de un campo magnético de intensidad H
depende de una propiedad del material a través del cual se establece el campo
magnético, denominada permeabilidad magnética. La relación entre las tres magnitudes
es:
B = µ H (T) (Ecuación 5)
La permeabilidad magnética µ del material magnético se expresa normalmente como un
múltiplo de la del vacío, cuyo valor es:
µ0 = 4π 10−7 (T m / A)
(Ecuación 6)
Si H viene expresado en amperios-vuelta por metro (A-vuelta/m) y B en Teslas (T). Para
un material magnético cualquiera se puede por tanto escribir:
µ = µr µ0 (Ecuación 7)
La permeabilidad magnética relativa µr de los materiales ferromagnéticos es muy
elevada, normalmente entre 2000 y 5000, pudiendo llegar hasta 10000 para
determinadas aleaciones. En cualquier caso, y debido al fenómeno de la saturación
magnética, la permeabilidad no es constante y la relación entre B y H es no lineal.
Además, en los materiales ferromagnéticos aparecen fenómenos de histéresis más o
menos acusados según el tipo de material [Sanz, 2004].
Si en cada uno de los sumando de la izquierda de la ecuación 4 sustituimos Hj en
función de la correspondiente densidad de flujo, y multiplicamos y dividimos por la
sección transversal sj en dicho tramo, se tiene:
∑s B
j
lj
j
µ jsj
∑φ ℜ
j
j
=F
(Ecuación 8)
En esta expresión Φj es el flujo magnético en cada sección transversal del circuito
magnético, es decir, la integral de superficie de la componente normal de la inducción
B, y Rj es la denominada reluctancia magnética que queda definida por:
ℜ=
l
µS
(Ecuación 9)
Si se compara la ecuación 8 con la ley de Ohm de los circuitos eléctricos en corriente
continua, se ve que la fuerza magnetomotriz F representa el papel de la tensión en
voltios aplicada al circuito, el flujo magnético (que para el ejemplo de la figura TAL es el
mismo en todas las partes del circuito) representa el papel de la corriente y la reluctancia
de cada parte del circuito magnético representa el papel de cada una de las resistencias
en serie en el mismo. Obsérvese la analogía entre las magnitudes que definen la
reluctancia (longitud, sección y permeabilidad) y las que definen la resistencia (longitud,
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sección y conductividad). Por eso la ecuación 8 se conoce como la ley de Ohm de los
circuitos magnéticos [Haytz, 2008]. Cada uno de los sumandos ΦjRj o sus equivalente
Hjlj reciben el nombre de caídas de tensión magnética y se expresan en amperios-vuelta.
El inverso de la reluctancia magnética se conoce con el nombre de permeancia y viene
expresada en henrios (H) o en weber/amperio (Wb/A). Las dimensiones de la reluctancia
son, lógicamente, (H-1) o (A/Wb).
P=
1 µS
=
ℜ
l
(Ecuación 10)
La Figura 35 representa la estructura básica de una electroimán formado por una pieza
móvil y una fija de material ferromagnético, ambas de la misma sección transversal,
alrededor de la cual se monta una bonina de N espiras recorridas por una corriente I. Las
líneas de flujo magnético se establecen a través de ambas piezas y se cierran
atravesando los dos espacios de aire denominados entrehierros. El material magnético,
debido a que su permeabilidad es mucho mayor que la del aire, produce el efecto de
“canalizar” las líneas de campo a su través.
Figura 35.- Circuito magnético serie
La función Φ=Φ (F) para dicho circuito magnético es la representada en la Figura 36. En
ella se observa que conforme aumenta la frecuencia magnetomotriz aumenta el flujo
magnético, que para un determinado valor de éste, la frecuencia magnetomotriz puede
descomponerse en dos partes o caídas de tensión magnéticas: una de ellas se encarga
de vencer la reluctancia magnética de los dos entrehierros, mientras que la otra
representa la frecuencia magnetomotriz necesaria para vencer la reluctancia de los
trayectos del campo magnético a través del hierro. Se observa que en la parte
correspondiente al aire, al ser éste un material lineal, el flujo crece proporcionalmente a
la caída de tensión Fg, mientras que para el hierro esta relación deja de ser lineal a partir
de un cierto valor, cuando comienza a ponerse de manifiesto el fenómeno de la
saturación [Haytz ,2008]. Asimismo se observa que la caída de tensión magnética en el
hierro es al principio mucho más pequeña que la del aire (a pesar de tener un recorrido
más largo) y que a medida que se entra en la zona de saturación ambas caídas de
tensión se van haciendo del mismo orden de magnitud.
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Figura 36.- Característica Φ=Φ (F)
En un circuito magnético como el de la Figura 37, en el que se observan varios brazos o
ramas compuestos de diferentes materiales magnéticos y con dimensiones distintas,
siguen siendo válidos los anteriores conceptos.
Figura 37.- Circuito magnético serie-paralelo y circuito "equivalente" eléctrico
Se ha explicado hasta ahora el comportamiento del flujo magnético a través de
materiales de distintas permeabilidades. Introduciremos ahora el efecto que dicho flujo
ejerce sobre una bobina al atravesarla, generando los enlaces de flujo, regidos según la
ley de inducción de Faraday [Reitz, 2008].
En la Figura 38a representamos una bobina de 7 espiras y una representación (arbitraria)
del aspecto de las líneas de campo magnético que produce al ser recorrida por una
corriente. Al abarcar todas las espiras el mismo número de líneas de campo, el flujo total
abarcado por la bobina es de 7 x 8 = 56 líneas de fuerza. En general
ψ = Nφ
(Ecuación 11)
La magnitud ψ recibe el nombre de enlaces de flujo de la bobina. Si como en el caso de
la Figura 38b no todas las espiras abarcan el mismo flujo, el número de enlaces de flujo
vendrá dado por la suma de productos
ψ = ∑ N kφk
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(Ecuación 12)
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Figura 38.- Enlaces de flujo. a) Concatenación uniforme b) Concatenación variable
Es decir, en nuestro caso 7 x 4 + 5 x 2 + 3 x 2 = 44 enlaces de flujo. Cuando el flujo
magnético abarcado por una espira simple varía, se genera en dicha espira una fuerza
electromotriz, así denominada históricamente porque se la consideraba causa directa del
movimiento de las cargas eléctricas en el interior del conductor. La variación de flujo
puede ser debida a una variación temporal del campo magnético, a una variación en la
posición relativa de la espira respecto del mismo o bien a una combinación simultánea
de ambas causas. En el primer caso se habla de frecuencia electromotriz de
transformación, ya que éste es el tipo de fenómeno que se produce en los
transformadores; el segundo casi se habla de frecuencia electromotriz de movimiento. El
valor de la frecuencia electromotriz inducida depende sólo del a magnitud de la
variación de flujo, con independencia de que su origen se deba a variaciones en el
tiempo o a cambios geométricos. La ley de la inducción electromagnética enunciada por
Faraday en 1831 dice que “el valor absoluto de dicha frecuencia electromotriz viene
dado por la rapidez de variación del flujo abarcado y que su sentido es tal que tiende a
establecer una corriente que se oponga a la variación de flujo que la produce (ley de
Lenz)”.
e=
dφ
dt
Si adoptamos el criterio clásico de que frecuencias electromotrices positivas producen
corrientes positivas (convenio generador) y corrientes positivas producen flujos positivos
[Sanz, 2004], de acuerdo con la Figura 39, se tiene:
Figura 39.- F.e.m. inducida por transformación
e=−
dφ
dt
(Ecuación 13)
Y en general para una bobina que abarque ψ enlaces de flujo, la fuerza electromotriz
viene dada por:
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e=−
dψ
dt
(Ecuación 14)
Si la espira, idealmente de resistencia nula, se cierra externamente por medio de un
conductor de resistencia R, se produce una circulación neta de cargas. Si la variación de
flujo en la espira es negativa, la corriente en el exterior del circuito va del punto de
mayor potencial al de menor, los sentidos reales de tensiones y corrientes coinciden con
los mostrados en la Figura 39 y se cumple que:
i=−
dψ / dt
R
(Ecuación 15)
El sentido de esta corriente al circular por el exterior es oponerse a la reducción del flujo
concatenado con la espira y tiende a salir por el terminal positivo que está situado a
mayor tensión. La espira actúa por tanto como un generador eléctrico. Visto del lado de
la resistencia, esta corriente produce en ella una caída de tensión de valor u=iR.
En la Figura 40 se muestra una espira formada por un conductor rectilíneo de longitud l
que se mueve con una velocidad constante v=dx/dt en un campo magnético de valor B
perpendicular al plano de la espira. Este movimiento del conductor respecto del campo
provoca la aparición de fuerzas sobre las cargas libres del conductor. Aparece en este
caso un campo eléctrico interno E, fuerza por unidad de carga, cuyo valor viene dado
por:
E = v × B (V/m) (Ecuación 16)
Figura 40.- F.e.m. inducida por movimiento
La circulación de dicho campo entre los extremos 1 y 2 del conductor nos permite
calcular la tensión inducida entre ambos puntos. Al ser constante la intensidad del
campo eléctrico para cualquier elemento dl entre los puntos 1 y 2, y ser el conductor
perpendicular a la velocidad y al campo, el valor de la tensión inducida será:
2
2
1
1
e = ∫ Edl = ∫ ( v × B ) ⋅ dl = Blv
(Ecuación 17)
Cuando se cierre el circuito con una resistencia externa circulará una corriente a través
de la resistencia E dada por:
i=
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e Blv
=
R
R
(Ecuación 18)
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Si analizamos el fenómeno desde otro punto de vista, el desplazamiento del conductor
en una cantidad dx produce una variación del flujo total que atraviesa la espira en una
cantidad dada por dΦ=-B l dx, ya que la superficie de la espira tiende a reducirse. Si esta
variación tiene lugar en un tiempo infinitesimal dt, la tensión inducida en el conjunto de
la espira valdrá, de acuerdo con la ley de Faraday, y teniendo en cuenta el signo
impuesto por la ley de Lenz:
e=−
dφ dφ dx
dx
=
= Bl
= Blv
dt dx dt
dt
(Ecuación 19)
es decir, coincidente con la ecuación 17. Se observa que razonando tanto en términos
de fenómenos locales en el conductor como en términos de fenómenos globales en el
conjunto de la espira se llega siempre a las mismas expresiones para la frecuencia
electromotriz inducida, y esto es un principio de validez general que nos permitirá
aplicar en cada caso la formulación que resulte más cómoda.
En estas condiciones se ejerce sobre las cargas en movimiento del conductor una fuerza
F que según la ley de Biot y Savart vale:
F = l ⋅ (i × B )
(Ecuación 20)
en este caso, F=B i l, y que tiene sentido opuesto al movimiento. El trabajo desarrollado
por las fuerzas externas para mover el conductor con velocidad v se disipa en forma de
calor en la resistencia externa R. También en este caso el conjunto de espira-conductor
móvil actúa como generador eléctrico.
La ecuación 14 corresponde al fenómeno tal como se produce físicamente y es la que se
utiliza habitualmente en el análisis “interior” de la máquina. La frecuencia electromotriz,
entendida como causa que contribuye a la circulación de corriente lleva asociada
necesariamente una connotación de “fuente”, y su convenio de referencia es, de forma
natural, el convenio generador.
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5.1 Generador Eléctrico Lineal
El concepto de Generador Eléctrico Lineal está basado en la idea de eliminar totalmente
todos los pasos intermedios involucrados en el proceso completo de generación,
evitando así perdidas y aumentando la eficiencia de la conversión [Mueller, 2002].
Un generador eléctrico lineal puede entenderse como el ‘despliegue’ de un generador
rotativo convencional [Cruz, 2008] como se muestra en la Figura 41.
Figura 41.- Adaptación del generador rotativo a lineal. [Cruz, 2008]
Como su homólogo rotativo, el generador eléctrico lineal está compuesto por una parte
fija, que es llamada igualmente estátor, y una parte móvil, la cual es normalmente citada
en la literatura anglosajona como ‘translator’, aunque aquí será nombrada como rotor
lineal.
En base a esta primera división organizaremos nuestro análisis, comenzando por la parte
móvil, el rotor lineal. Éste es el elemento físico de la máquina responsable de la
inducción, la cual puede realizarse mediante el uso de imanes permanentes, o a través
de una corriente de excitación, como analizaremos a continuación.
El tipo de excitación usado en la máquina, determinará de manera importante el resto
de los subsistemas involucrados en la generación. El uso del oleaje como fuente primaria
para la generación de energía eléctrica, exige, debido a las bajas velocidades verticales,
que las fuerzas electromagnéticas implicadas han de ser elevadas [Mueller, 2002]. Para
cumplir con este primer objetivo, la inducción mediante imanes permanentes parecer ser
la mejor opción (luego se analizará la alternativa de corriente de excitación). No
obstante, esta opción, introduce su propia problemática asociada.
Las fuerzas electromagnéticas provocadas por los imanes pueden dividirse en dos
[Mueller, 2007]; las fuerzas tangenciales, responsables de la generación y de dirección
coincidente con el movimiento del rotor; y las fuerzas normales, de dirección
perpendicular al movimiento del rotor y cuya aparición es un efecto absolutamente
parásito (Figura 42).
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Figura 42.- Descomposición de las fuerzas electromagnéticas en fuerza normales (rojo) y tangenciales (verde)
Además, con un análisis un poco más profundo de estas, podemos suponer que el
aumento del tamaño del imán, para conseguir mayores fuerzas tangenciales, supondrá
también el aumento de las fuerzas normales, las cuales generan grandes cargas
mecánicas a soportar por la estructura metálica, fruto de la atracción. Este efecto
incremente, por tanto, los ya elevados requerimientos mecánicos de la estructura debido
a la agresividad del medio [Cruz, 2008].
Una posible solución a este problema surge de la eliminación en la medida de lo posible
de la masa total de hierro en el estátor de la máquina, esto será explicado con más
detalle en análisis dedicado al estudio de las configuraciones del estátor que se realiza
más adelante.
Como ya hemos observado desde el punto de vista cualitativo las fuerzas normales
suponen un efecto negativo para la máquina, pero este se agrava aún más cuando lo
analizamos cuantitativamente, pues la fuerzas normales crecen de manera cuadrática
con respecto al flujo magnético, mientras que las tangenciales lo hacen linealmente
[Polinder, 2007], como se muestra en laFigura 43.
Figura 43.- Comportamiento de las fuerzas electromagnéticas
El circuito magnético representa por tanto una significante diferencia con respecto a las
máquinas rotativas, ya que este se encuentra abierto en ambos extremos. Por tanto, la
superficie activa de la interacción rotor-estátor puede no ser constante, lo cual se
convierte en un requisito de diseño [Cruz, 2008]. Para optimizar por tanto la superficie
activa esta debe de permanecer constante durante toda la carrera, construyéndose por
tanto uno de mayores dimensiones con respecto al otro. Al ser la longitud de la carrera
del orden de metros [Danielsson, 2003], para adecuarse a la altura predominante del
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oleaje, se debe afrontar la solución a este problema desde un punto de vista tanto
técnico como económico.
Aumentar la longitud del estátor implicaría menor coste constructivo, ya que el precio
del cobre es menor que el de los imanes, pero sin embargo, con esta solución se
introducirían mayores pérdidas Joule, que repercuten en una disminución de la eficiencia
del dispositivo y un aumento de las cargas térmicas. Por tanto, la solución adoptada
suele ser la construcción de un rotor mayor, que supone sólo un aumento del coste sin
involucrar técnicamente el funcionamiento de la máquina.
Además, los extremos abierto tienen una influencia sobre el flujo magnético y el patrón
que este sigue en el entrehierro de las máquinas lineales [Danielsson, 2003].
El entrehierro es también un aspecto con cierta diferencia en la tipología lineal, las
citadas fuerzas normales, los efectos térmicos y las tolerancias de fabricación hacen que
no se puedan reducir sus valores a cotas tan pequeñas como en máquinas rotativas,
estando actualmente en torno a los 5 mm [Polinder, 2004].
Otro aspecto a analizar, es como afecta la disposición de los imanes permanentes sobre
el rotor. Estos pueden ser colocados de manera apilada o superficial, como se muestra
en la Figura 44, influyendo de maneta diversa sobre el comportamiento de la máquina.
Figura 44.- Disposición Apilada (Izqda) y Superficial (Dcha) de los Imanes Permanentes [Danielsson, 2003]
Para medir su influencia en parámetros como la masa total de imanes, la eficiencia, la
potencia o el ángulo de carga de la máquina Danielsson (2003) realizó un estudio
comparativo de ambas tipologías. Ambas disposiciones fueron probadas en una
máquina de flujo longitudinal, la cual será explicada más detenidamente en la siguiente
sección, por su simplicidad constructiva, y con dos tipos de imanes, de ferrita clásica (Fe)
y neo-dymium-Iron-Boron (NdFeB), bajo una velocidad relativa de trabajo de 1 m/s. De la
comparación de ambas configuraciones se extrajeron las siguientes consideraciones:
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• Disposición apilada. Mejor distribución del flujo magnético en la periferia del
entrehierro, y mayor protección frente a los campos magnéticos transitorios
generados por cortocircuitos en el circuito exterior. Una parte del flujo magnético
que atraviesa la pared exterior de aluminio, sujeción, se pierde, por tanto se
disminuye su eficiencia.
• Disposición superficial: Están más expuestos a los transitorios y aumenta el riesgo
de desmagnetización, pero no presenta cortocircuitos como en el caso de la
configuración apilada. Con esta disposición aumenta el riesgo de
desmagnetización.
La diferencia mayor entre las dos configuraciones es que en el montaje superficial en
ancho del imán permanente viene limitado por el ancho del “pole”, pieza metálica de
separación entre imanes (Figura 45), mientras el montaje apilado no presenta una
limitación teórica.
Figura 45.- Vista en detalle del flujo magnético de la disposición superficial [Danielsson, 2003]
La conclusión final fue que la disposición con mejores características era un montaje
superficial con imanes NdFeB. Los resultados eran similares para la disposición apilada
con imanes de ferrita, pero se necesitaría una masa total de imanes unas diez veces
superior, lo cual dispararía el peso del rotor. Además analizando estos dos casos desde
un punto de vista económico se observaba también la primera como la mejor opción. En
la Tabla 16 se presentan los principales valores del ensayo.
Tabla 16.- Tabla resumen con los datos del experimento [Danielsson, 2003]
Superficial
ferrita
Superficial
NdFeB
Pole shoe
ferrita
Pole shoe
NdFeb
Masa Iman Fe
(Kg)
2275
N/A
1240
N/A
Masa Iman
NdFeB (Kg)
N/A
120
N/A
242
Masa del
nucleo (Kg)
3852
893
1020
1334
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Superficial
ferrita
Superficial
NdFeB
Pole shoe
ferrita
Pole shoe
NdFeb
Cable (m)
3779 m
1272 m
1234 m
1299 m
Eficiencia
68.5
85.2
85.1
83.5
Ángulo de
carga
6.2
4.5
4..8
5.2
Otro de los efectos parásitos a minimizar, y a ser posible eliminar, en las maquinas
eléctricas que utilizan imanes permanentes son las fuerzas cogging, creadas en los
bordes de los imanes y proporcionales a las dimensiones de estos.
Estas aparecen a causa de los harmónicos, de la variación no lineal en la permeabilidad
magnética y el número discreto de huecos (slots) en el estátor.
En generadores eléctricos lineales, los cuales montan imanes de grandes dimensiones,
estos efectos son considerables. Un modo de combatirlos, a través de mejorar el diseño
geométrico, es utilizar un número fraccional (racional) de “slots per pole” en el estátor,
reduciendo sustancialmente dichas fuerzas. Dando forma a los imanes de modo que se
genere una densidad de flujo lo más sinusoidal posible en el entrehierro también se ven
reducidos estos efectos [Ivanova, 2004].
Para estudiar estos efectos se simuló una máquina de imanes permanentes de 136 kW
(ver parámetros del oleaje simulado) para distintos valores de ‘q’ [Ivanova, 2004]
Se puede observar, comparando los valores para q=1 y q=9/8 que los efectos se reducen
en un orden de magnitud en el segundo caso, pasando a suponer del 50 al 5% de las
fuerzas electromagnéticas, reduciéndose además su variabilidad. Los resultados son
similares para otros valores fraccionales de ‘q’.
Figura 46.- Comparación de las fuerzas cogging para un q=1 y q=9/8. [Ivanova, 2004]
Se disipación del efecto de las fuerzas cogging hace aumentar la media de las fuerzas
electromagnéticas de 157 kN para el caso q=1 a 163 kN para q=9/8.
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Este diseño mejorado para contrarrestar estos efectos tiene además una influencia
positiva en la curva de potencia extraída, cuyas fluctuaciones se ven también reducidas,
aliviando así los posteriores procesos de rectificado de la señal.
Figura 47.- Influencia sobre la curva de potencia de ambos diseños. [Ivanova, 2004]
Con respecto a la potencia generada, además de una mejora de la calidad de onda se
produce un aumento del nivel de potencia media generada de unos 6 kVA [Ivanova,
2004].
Como podemos comprobar, el uso de imanes permanentes para la inducción soluciona
el problema de las grandes fuerzas a inducir por las bajas velocidades de trabajo, pero
lleva asociado una serie de problemas, mayormente estructurales.
Además, existe un último aspecto problemático con respecto al uso de imanes, y es la
sobrecarga generada ante temporales del oleaje. Esto supone que el resto de
subsistemas eléctricos involucrados en la generación deban estar sobredimensionados,
para que no resulten dañados ante estas sobrecargas. Como solución a este problema
surge la idea de realizar la inducción mediante corriente de excitación. Esto permitiría
controlar los niveles de flujo magnético inducido en los distintos regímenes de trabajo,
adaptando este a la velocidad relativa rotor-estátor, optimizando así la generación y
protegiendo los subsistemas de posibles sobrecargas eléctricas. [Vining, 2009].
Los niveles de generación con este tipo de inducción serían claramente inferiores al caso
del uso de imanes permanentes, ya que las fuerzas electromagnéticas son inferiores. No
obstante, su uso conllevaría otros importantes beneficios. La eliminación de los imanes
supondría una importante reducción de los costes, ya que el material magnético supone
en torno a un 80% del precio total del dispositivo. De igual manera, los subsistemas
asociados no necesitarían un sobredimensionado ya que las sobrecargas pueden ser
controladas regulando el nivel de inducción y se relajarían los requerimientos sobre la
estructura provocadas por las fuerzas normales y los efectos cogging. Ambas situaciones
conllevarían de nuevo una disminución de los costes de fabricación del dispositivo.
Este tipo de inducción mediante un rotor lineal bobinado ha sido únicamente propuesto
por la Universidad de Wisconsin, Madison, y será analizado más adelante [Vining, 2009].
Pasaremos ahora a analizar el estátor de las máquinas lineales. Éste puede ser clasificado
según como es concatenado el flujo a través de él. En este sentido, se pueden distinguir
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68
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tres tipos principales, el generador de flujo longitudinal (LFPM1), el de flujo transversal
(TFPM2) y el de núcleo de aire (TAPM3).
El generador de flujo longitudinal
Es la tipología de generador eléctrico lineal más desarrollada debido a su simplicidad
constructiva y robustez. Es también llamado como generador síncrono, debido a que su
desarrollo ha ido ligado al uso de imanes permanentes para la inducción, como la
mayoría de conceptos de generación lineal.
Su nomenclatura de longitudinal viene justificada por la dirección que sigue el flujo a
través del estátor, como se muestra en la Figura 48.
Figura 48.- Sección de un generador de flujo longitudinal
Esta tipología ha sido investigada mediante métodos de elementos finitos [Danielsson et
al, 2006] y analíticos [Polinder et al, 2004] para su aplicación a dispositivos de energía
de las olas y su estado de desarrollo ha sido tal que se han llegado a realizar pruebas a
escala en mar en dispositivos como el AWS o el Seabased, que serán descritos más
adelante.
Con la geometría longitudinal, sin embargo, se limita el ancho de los dientes del estátor
y el área de la sección transversal de los conductores para unas dimensiones dadas del
‘pole pitch’, lo cual supone una repercusión negativa, ya que consecuentemente limita
la fem por polo y la densidad de potencia por área en el entrehierro.
Este tipo de generador, como ventaja, presenta una baja reactancia síncrona, por lo que
sus necesidades de compensación son bajas.
El generador de flujo transversal
En esta disposición del estátor, la dirección en la que fluye el flujo magnético
concatenado es perpendicular a la dirección del movimiento del rotor lineal.
Este tipo de generador fue introducido a finales de los ochenta [Weh et al, 1988] y más
recientemente se retomó su investigación para aplicación a dispositivos de energía de las
olas por autores como Mueller (2002) o Harris (1997).
1
Siglas en inglés de Longitudinal Flux Permanent Magnet
Siglas en inglés de Transversal Flux Permanent Magnet
3
Siglas en inglés de Tubular Air-cored Permanent Magnet
2
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En esta disposición el rotor lineal desplaza los imanes permanentes rodeados de núcleos
alternados en forma de C de material ferromagnético, ver Figura 49.
Figura 49.- Esquema de funcionamiento del generador de flujo transversal
Con esta disposición se soluciona la limitación del área de la sección transversal y el
ancho de los dientes con respecto a las dimensiones del ‘pole pitch’, pudiéndose
elevadas densidades de flujo para pequeños ‘pole pitch’. En contraposición, esta
tipología presenta una elevada inductancia síncrona [Cruz, 2008].
Estructuralmente también se trata de un generador complejo, por la disposición de los
núcleos en C, independientes uno de otro, y sometidos a las elevadas fuerzas normales.
Esto ha impedido que, hasta la fecha, haya sido implementado en ningún dispositivo
undimotriz, a pesar de presentar los mayores valores para el ratio potencia por área de
entrehierro.
Sus ventajas, electromagnéticas, en comparación a la tipología longitudinal fueron
demostradas por Mueller (2002), en la Tabla 17 se exponen las características de los
generadores analizados.
Tabla 17.- Características de los generadores comparados. [Mueller, 2002]
Características
LFPM
TFPM
Longitud axial (mm)
500
500
Dimensiones de los imanes
5 x 100 x 500
5 x 20 x 200
Inducción magnética imanes (T)
1,2
1,2
Permeabilidad
1,02
1,02
Profundidad de ranura (mm)
60
50
Factor de relleno
0,4
0,4
Inducción del núcleo (T)
1,3
1,3
Ancho de fase (mm)
105
20
Temperatura (ºC)
80
80
Línea de Negocio Energías del Mar
70
INABENSA
En el estudio también se calculan las pérdidas de ambos generadores para una velocidad
pico de 2 m/s, siendo el generador de tipo TFPM el que presenta unas menores pérdidas
totales en el núcleo. También se pone de manifiesto la mayor necesidad de
acondicionamiento de la señal de salida del generador.
Algunos de los valores registrados para ambos generadores probados a distintas
velocidades de trabajo se presentan en la Tabla 18.
Tabla 18.- Comparativa de generadores longitudinales y transversales a distintas velocidades [Mueller, 2002]
0,5
Velocidad pico (m/s)
1
2
LFPM
TFPM
LFPM
TFPM
LFPM
TFPM
Peso de los imanes (kg)
227
126
151
94
112
78
Masa total (kg)
3535
2857
1802
1460
938
760
Fuerza tangencial (kN/m2)
24,3
48
24,3
48
24,3
48
Longitud del estátor lineal (m)
8,2
4,1
4,1
2,1
2,1
1
Generador
Otra característica importante en su comparación con el longitudinal son las mayores
pérdidas magnéticas que presenta el transversal debido a la mayor frecuencia eléctrica
de trabajo que se alcanza.
El generador de núcleo de aire
Este modelo de generador lineal, propuesto por Baker y Mueller (2004) para su
implementación en dispositivos de energía undimotriz, presenta como característica
principal la eliminación del núcleo de hierro para la sujeción del bobinado, el cual se
monta en un material no magnético. Con este diseño se persigue la eliminación de las
fuerzas normales de atracción entre rotor lineal y estator, derivando en una gran
facilidad constructiva de la máquina [Pirisi, 2009]
Se encuentra en fase de investigación y desarrollo, y su disposición normalmente
cilíndrica es la mostrada en la Figura 50.
Figura 50.- Esquema de funcionamiento del generador de núcleo de aire.
Sin embargo, esta configuración implica unas mayores pérdidas magnéticas y un menor
flujo, al tener que discurrir este en su totalidad por el aire de elevada reluctancia. Como
consecuencia de ello, la potencia por unidad de área en el entrehierro es
considerablemente menor para esta tipo de generador lineal respecto a la máquina
longitudinal o transversal. No obstante, la masa total de la máquina también disminuye
Línea de Negocio Energías del Mar
71
INABENSA
considerablemente con la eliminación del núcleo metálico, por tanto, los valores del
ratio potencia masa mantienen valores aceptables.
En la actualidad se está investigando volver a plantear el estátor con materiales
magnéticos ya que las pérdidas son demasiado importantes, manteniendo, sin embargo,
la simetría de revolución permite facilitar las tareas constructivas [Pirisi, 2009].
Figura 51. Diagrama simplificado del campo magnéticos en un en un generador lineal tubular en cada una de las 3 fases. [Pirisi,
2009]
La tipología de núcleo de aire se ha desarrollado también en conceptos no tubulares
como evolución de conceptos heredados de la tecnología eólica, como los mostrados en
la Figura 52, y que serán particularmente analizados en la siguiente sección.
Figura 52.- Conceptos no tubulares de tipología de núcleo de aire.[Veermark, 2010],[Mueller, 2007]
El generador lineal híbrido
Como principal característica de este tipo de generador eléctrico destaca la eliminación
de los imanes permanentes en el rotor lineal y la inducción del campo magnético
mediante una corriente de excitación en el bobinado alojado en el rotor lineal, evitando
así los problemas asociados a las fuerzas cogging y la atracción entre imanes y
estructuras.
Línea de Negocio Energías del Mar
72
INABENSA
Figura 53.- Distribución del flujo magnético en el generador lineal híbrido. [Vining, 2009]
El término híbrido se usa debido a que el flujo magnético circula de manera transversal
por el rotor lineal y de manera longitudinal por el estátor como se observa en la Figura
53. Está tipología también será analizada más detalladamente en la sección
comparativa.
Una vez clasificados los generadores según la dirección que sigue el flujo magnético por
su estator pasaremos a realizar un análisis de las pérdidas energéticas que se producen.
Las máquinas eléctricas son dispositivos de conversión de energía que, en comparación
con otros dispositivos técnicos, presentan unas pérdidas de energía relativamente bajas.
Ello significa que las irreversibilidades del proceso global son muy pequeñas. De hecho,
el proceso de conversión electromecánica en sí es completamente reversible. Las
irreversibilidades asociadas al mismo son debidas al carácter no ideal de los materiales
electrotécnicos (resistencia de los conductores y perdidas asociadas al campo magnético)
o mecánicos (rozamientos).
Estas pérdidas de energía producidas durante el funcionamiento de las máquinas
eléctricas se convierten en energía térmica cuya evacuación implica una elevación de la
temperatura de la máquina sobre la temperatura ambiente que resulta necesaria para
que se produzca un flujo de calor desde la máquina a la atmósfera o al medio
refrigerante externo. Tanto los procesos que originan dichas pérdidas como su valor por
unidad de tiempo (potencia de pérdidas) y la forma en que se transmiten al exterior
(método de refrigeración) condicionan la temperatura que pueden llegar a alcanzar cada
una de las partes de la máquina y, por tanto, la clase de aislamiento necesaria para la
misma.
De acuerdo con la Tabla 19 podemos clasificar las pérdidas, por su origen, en pérdidas
en el cobre (o en los devanados), en el hierro o pérdidas mecánicas. En una primera
aproximación cabría pensar que las pérdidas en los conductores se deben al efecto
Joule, a causa de la intensidad que circula por los devanados, por lo mismo que las
pérdidas en el hierro cabe asociarlas a los fenómenos de histéresis y de corrientes de
Foucault en aquellas máquinas en donde existan campos alternativos.
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73
INABENSA
Tabla 19.- Clasificación de las pérdidas en máquinas eléctricas [Sanz, 2002]
Normales
Adicionales
Pérdidas eléctricas.
Efecto Joule en el cobre Por variación local de la
(RI2). Por la resistencia de inducción y por efecto
contacto en escobillas
pelicular
Pérdidas en el hierro.
Normales
(histéresis
corrientes parásitas)
Pérdidas mecánicas.
Rozamiento en escobillas,
cojinetes,
fricción,
ventilación...
y Debidas al efecto del
ranurado (pulsaciones de
densidad de flujo) y a los
armónicos
de
campo
magnético
Sin embargo, en máquinas reales pueden producirse pérdidas en el cobre en devanados
que no conducen corriente (en vacío) o pérdidas en el hierro en máquinas cuyo campo
magnético es constante en el tiempo. Estos dos tipos de pérdidas constituyen las
denominadas pérdidas adicionales o suplementarias.
Finalmente existen las pérdidas mecánicas o asociadas al sistema mecánico y que tienen
su origen básicamente en tres fuentes: pérdidas por rozamiento, pérdidas por fricción y
pérdidas por ventilación. Las primeras se producen allí donde hay un elemento fijo que
roza con uno móvil. Es el caso de las pérdidas que se producen en los cojinetes que
soportan el rotor de la máquina. Pero también se producen en las máquinas que poseen
escobillas fijas al estator que rozan con algún elemento conductor situado en el rotor.
Este tipo de pérdidas en generadores eléctricos lineales quedarían acotadas a las
pérdidas por rozamiento que se darían en las barras de guiado del rotor lineal, ya que el
resto serían pérdidas mecánicas características de las máquinas rotativas, para las cuales
este análisis de pérdidas es completamente similar.
Las segundas se producen por fricción de las partes móviles con el aire, u otro fluido,
con el cual estén en contacto. Estas pérdidas sólo se podrían evitar haciendo funcionar
la máquina en el vacío, pero no sería posible en ese caso el uso de fluidos refrigerantes
para evacuar las demás pérdidas de energía. Por último, las pérdidas por ventilación
corresponden a la potencia necesaria para impulsar el caudal de fluido de refrigeración.
Esta impulsión puede producirse por medio de un ventilador calado en el propio eje de
la máquina, opción no factible para máquinas lineales solo en rotativas, o mediante un
ventilador externo accionado por un motor auxiliar. Esta última solución es más factible
para máquinas con elevados periodos de funcionamiento a bajas velocidades, como
sería el caso undimotriz.
Admitiendo que la temperatura ambiente (o del medio refrigerante) se mantiene
constante, que la máquina se comporta como un cuerpo homogéneo con una cierta
Línea de Negocio Energías del Mar
74
INABENSA
capacidad calorífica equivalente cp y que la potencia de pérdidas Pp en la máquina es
constante, la evolución del calentamiento (diferencia de temperatura entre la máquina y
el medio ambiente, supuesta esta inalterable) se puede calcular expresando el balance
de energías en un cierto intervalo de tiempos ∆t:
Energía de pérdidas = calor disipado + calor almacenado
O bien, expresado en forma matemática:
Tomando límites cuando ∆t tiende a cero:
En donde ∆v es el calentamiento, α es el coeficiente de transmisión global por
convección (único mecanismo de transmisión de calor que se considera), S es la
superficie total de intercambio de calor con el medio refrigerante y m es la masa del
cuerpo. Los valores del coeficiente de transmisión de calor por convección natural toman
valores a los 5 W/m2 ºC, y los de transmisión por radiación en torno a los 12-15 W/m2 ºC.
En el caso de ventilación por convección forzada el coeficiente de transmisión de calor
depende mucho de la velocidad de circulación del fluido y puede alcanzar valores 4 o 5
veces superior a la suma de los coeficientes de convección natural y radiación juntos.
Una expresión aproximada de este coeficiente es:
Donde v es la velocidad del aire en metros por segundos y L la longitud característica en
metros. Para refrigeración por convección natural se suele tomar α=14 W/(m2K) que
incluye el calor transmitido por radiación.
La solución de la ecuación diferencial de la potencia es una función exponencial de la
forma:
Donde
y representa la diferencia de temperatura final de equilibrio, y
Línea de Negocio Energías del Mar
75
INABENSA
es la denominada constante de tiempo térmica de calentamiento de la máquina. La
evolución del calentamiento dado por la expresión anterior se muestra en la Figura 54.
Dado que el proceso de transferencia de calor responde a la misma ecuación diferencial
durante el calentamiento y el enfriamiento, la curva de enfriamiento es también
exponencial y amortiguada. Partiendo del punto de equilibrio térmico inicial (∆temp=0),
el calentamiento alcanza el 63% del valor final al cabo de un tiempo igual a la constante
de tiempo térmica.
Figura 54.- Curvas de calentamiento y enfriamiento. Constante de tiempo térmica [Sanz, 2002]
Es importante señalar que el valor de la constante de tiempo no depende de la
temperatura final alcanzada sino de las características de la máquina, de su geometría y
de las condiciones de refrigeración, como se pone de manifiesto en la Figura 55 para
dos temperaturas finales diferentes. Para máquinas pequeñas y medianas el valor de
esta constante de tiempo toma valores comprendidos entre 10 y 30 minutos, llegando a
órdenes de magnitud de horas para máquinas grandes.
Figura 55.- Constante de tiempo térmica a diferentes temperaturas finales. [Sanz, 2002]
Línea de Negocio Energías del Mar
76
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Volviendo al análisis de las principales fuentes de pérdidas en estas máquinas,
particularizaremos el tratamiento de las pérdidas eléctricas y las pérdidas en el hierro, y
sus posibles soluciones, para el caso de las máquinas lineales.
Con respecto a las pérdidas en el hierro, estas están producidas por los campos
magnéticos cambiantes, en el tiempo y en la dirección del flujo, aunque puedan existir
también, como se explicó anteriormente, pérdidas en campos constantes.
El estator de estas máquinas debe ser lo más simple posible, y para ello, este es
construido a base de acero laminado, con dichas laminaciones en dirección
perpendicular al flujo. Sin embargo, una desventaja de este método es la aparición de
estas pérdidas en el hierro debido a los campos tridimensionales [Polinder et al, 2005].
Para tener una cuantificación de las pérdidas por corrientes de Foucault en el hierro
debemos usar la expresión por unidad de volumen de hierro siguiente:
PFe =
ω 2 B 2bFe 2
12 ρ Fe
donde omega representa la frecuencia angular, B la densidad de flujo, b el ancho de la
laminación y ro la densidad del hierro.
En el estudio realizado por Polinder (2005) estas pérdidas se cuantificaron en 21kW
traduciéndose en una pérdida anual de energía de 184MWh.
De cara a reducir estas pérdidas se plantearon diversas soluciones [Polinder et al, 2005]:
• Cambiar la dirección del laminado en pequeñas partes de los ‘yokes’ del rotor
lineal. Aunque esto complicaría considerablemente la construcción.
• Construir la máquina con polvos metálicos. Con ello se reducen ciertamente las
pérdidas por Corrientes parásitas pero aumentan en mayor medida las pérdidas
por histéresis y disminuye la permeabilidad magnética y la densidad de saturación
del flujo.
• Realizar ranuras superficiales en el laminado [Pistoyes, 1927] aumenta la longitud
del camino a seguir por las corrientes parásitas. Con ranuras de apenas
centímetros estas pérdidas se reducen por factor de 5 a 10, hasta unos 2,5kW,
siendo estos ya valores más aceptables.
Con respecto a las pérdidas Joule en el bobinado, últimamente se ha presentado una
nueva disposición de las bobinas que reduce dichas pérdidas y representa importantes
ventajas económicas en la construcción de la máquina [Randewijk et al, 2007].
Esta disposición del bobinado son las llamadas no solapadas (Non-overlapping) o
concentradas. Con ellas, a pérdidas eléctricas fijas, se consigue solo el 80% de fuerza
tangencial con respecto a las clásicas solapadas (overlapping) pero supone un ahorro en
material de cobre del 50%, lo cual supone un gran ahorro de costes.
Línea de Negocio Energías del Mar
77
INABENSA
Figura 56.- Comparación de bobinas solapas (Izqda) y no solapadas o concentradas (Dcha). [Randewijk, 2007]
Abandonando ya el análisis de las pérdidas, otro aspecto que es necesario analizar es el
nivel de potencia unitario del dispositivo y las implicaciones que tiene para el resto del
sistema.
Desde el punto de vista de la generación eléctrica, la cantidad en el número total de
dispositivos que conformen la planta de generación también conlleva importantes
consecuencias, tanto en el nivel de potencia generada como en la calidad de onda de
esta. Uno de los retos que presenta la generación de energía con generadores eléctricos
lineales usando el oleaje como fuente primaria, es la alternancia en el movimiento, la
cual se traduce en dos puntos de retorno en cada ciclo, y por tanto pasos por ceros de la
velocidad del rotor y, por consiguiente, dos picos de generación (Ver Figura 57).
Figura 57.- Estudio del movimiento del rotor lineal [Thorburn, 2007]
Esta alternancia de movimiento provoca importantes irregularidades en la curva de
potencia extraída. Nótese que, además de la irregularidad propia del movimiento del
rotor lineal hay que considerar la irregularidad en los parámetros del recurso, es decir, la
no homogeneidad del oleaje. Con esto concluimos en lo mostrado en la Figura 58, la
cual nos muestra un perfil de onda generada por un solo dispositivo, en bornas del
mismo dispositivo, sin para por ninguna etapa de rectificado.
Línea de Negocio Energías del Mar
78
INABENSA
Figura 58.- Señal de salida en bornas de un generador eléctrico lineal [Boström, 2009]
Para estudiar este efecto, en 2007 fue llevado a cabo un estudio en la universidad de
Uppsala donde se analizaban las señales de salida de un número de generadores lineales
sometidos a distintas solicitaciones de entrada. La salida era de una calidad adecuada
cuando el generador respondía a un perfil de onda ideal, altura y periodo constante, y
un desfase regular entre las olas incidente en los distintos dispositivos. Sin embargo, la
señal se iba distorsionando cuando el oleaje iba siendo cada vez más parecido a un
espectro real, con todos sus parámetros totalmente variables ola a ola.
En la última fase del estudio, se analizaba de nuevo la influencia sobre la señal de salida
del número de dispositivos empleados, y se pasaba de someter al mismo espectro de
olas de cinco a diez dispositivos (Ver Figura 59).
Figura 59.- Comparación de la onda de salida de cinco (izqda) y diez (dcha) dispositivos. [Thorburn, 2007]
Se puede observar como la onda de salida, de la corriente en este caso, se alisa más
cuanto mayor es el número de dispositivos empleados. Esta regularización de la
corriente de salida se entiende como el efecto de cobertura que los dispositivos ejercen
unos sobre otros al paso de la ola, combinándose los pasos por cero de un cierto
número de máquinas con los picos máximos de otras.
Esta cobertura, puede ser optimizada para distintos oleajes, idealmente de manera
continua (en tiempo real para cada ola) o al menos secuencialmente para determinados
márgenes preestablecidos del oleaje incidente, jugando con la distancia entre
Línea de Negocio Energías del Mar
79
INABENSA
dispositivos. Si imaginamos una planta forma por numerosos clúster, y a su vez cada
clúster formado por diversos dispositivos, podríamos pensar en una estructura móvil que
sea capaz de variar la distancia y optimizar la calidad de la señal de salida.
Figura 60.- Ejemplos de clúster móviles
Si analizamos los niveles de potencia desde el aspecto económico, será menos costosa
una máquina de una potencia más reducida, del orden de las centenas de kilovatios, con
respecto potencias mayores, del orden de los megavatios, básicamente por simplicidad
constructiva. Además, para una potencia de planta dada, la elección de dispositivos de
menor potencia derivaría en un mayor número de estos en la instalación, lo cual podría
provocar economías de escala en el proceso de fabricación, tanto del dispositivo en sí,
como de los distintos subsistemas a él asociado (convertidores de potencia, por ejemplo)
[Mueller, 2002], reduciéndose además, sobre estos subsistemas eléctricos los
requerimientos, intentando simplificar en la medida de lo posible la etapa posterior de
filtrado y rectificado de la señal.
5.1.1 Dispositivos con generadores eléctricos lineales
De las tipologías expuestas anteriormente, no todas han sido implementadas y probadas
en dispositivos, incluso algunas no han pasado más allá de su diseño teórico. No fue
hasta finales de los noventa cuando se comenzó a plantear su aplicación a la energía de
las olas. A continuación presentamos algunos de los dispositivos y generadores que
trabajan de manera lineal, indicando quién es el responsable de su desarrollo, qué
tipología son, los niveles de potencia que desarrollan, su principio de funcionamiento y
sus principales ventajas y desventajas.
•
Archimedes Wave Swing (AWS)
Dispositivo desarrollado por la empresa Archimedes Wave Swing Ocean Energy. Fue el
primer prototipo de tecnología undimotriz en emplear un generador eléctrico lineal. Este
era de tipología LFPM, y estaba diseñado para 2 MW de potencia pico. La forma del
generador a dos caras trataba reducir los efectos de las fuerzas normales y mediante la
geometría de los imanes se reducían los efectos cogging [Sousa, 2006]. Tras varios años
de desarrollo, han optado por cambiar de PTO, a circuito hidráulico, conservando la
configuración del dispositivo [Polinder, 2005].
Línea de Negocio Energías del Mar
80
INABENSA
Este se encuentra totalmente sumergido y la parte superior de una cámara de gas oscila
verticalmente con el paso de las olas, accionando un pistón hidráulico en vez de
accionar el generador eléctrico lineal.
Figura 61.- Esquema de funcionamiento (izqda), disposición de los imanes (centro) y sistema de bobinado del estator (dcha)
El modo de funcionamiento de este dispositivo es algo distinto al habitual en
absorbedores puntuales, al paso de la ola, al encontrarse totalmente sumergido, la
presión ejercida por la columna de agua superior hace descender la cámara, y cuando
esta pasa por completo el gas interior de la cámara la hace ascender de nuevo.
La regulación de este gas permite acoplar la hidrodinámica del sistema para trabajar en
resonancia con las olas incidentes, aumentando así la eficiencia del sistema.
El hecho de ser un dispositivo totalmente sumergido al suelo le ofrece una gran garantía
de supervivencia ante oleajes extremos. Sin embargo, ese mismo hecho hace que se
compliquen las previsibles labores de mantenimiento.
Podemos encontrar más información sobre el desarrollo de este dispositivo consultando
las siguientes publicaciones: Cruz, 2008; Sousa, 2006; Polinder, 2002; Polinder, 2005;
Mueller, 2000; Mueller, 2005; Leijon, 2005; Thorburn, 2004 y Sarmento, 1998.
•
SeaBased
Dispositivo desarrollado conjuntamente entre la Universidad de Uppsala y la empresa
Seabased. En este caso el generador es de nuevo de tipología LFPM y diseñado para una
potencia de 100 kW [Thorburn, 2004]
Este nivel de potencia responde a la corriente de diseño “small is beautifull” seguida por
el equipo, que defiende la idea de implantación de numerosos dispositivos de pequeña
potencia frente al uso de pocas unidades de potencias elevadas
El dispositivo se encuentra en este caso igualmente sumergido y fijado al suelo marino, y
el generador es accionado mediante una boya que flota en la superficie y sigue el
movimiento del oleaje el cual transmite al rotor lineal conectada mediante una cable de
acero a él.
El dispositivo, según los datos publicados, funciona en unos niveles de eficiencia que
alcanzan el 86%. El generador probado es un generador de cuatro caras diseñado para
contrarrestar el efecto de las fuerzas normales ejercidas por los imanes sobre la
estructura. Actualmente investigan la posibilidad de multiplicar el número de caras hasta
Línea de Negocio Energías del Mar
81
INABENSA
ocho para conseguir un aumento de la potencia y la eficiencia y reducir a su vez el
efecto parasito de las fuerzas coggings [Ivanova, 2005].
Figura 62.- Ilustración del dispositivo Seabased y el generador octogonal bajo investigación.
Sobre el dispositivo Seabased, podemos profundizar más sobre su tecnología
consultando los siguientes autores: Enrström, 2007; Wolfbrand, 2006; Rahm, 2009;
Svensson, 2005; Langhamer, 2010; Leijon, 20008 y Eriksson, 2007.
•
L-10
Desarrollado por la Universidad estatal de Oregon y la empresa Columbia Power
Technologies (CPT). Dispositivo de 10 kW que en esta caso emplea un generador
eléctrico lineal de tipo TAPM, con imanes permanentes de sección circular. Esta
tipología se caracteriza por la ausencia de fuerzas normales entre el rotor y el estator, lo
cual relaja los requerimientos mecánicos sobre la estructura y permite reducir las
dimensiones del entrehierro [Brekken, 2009].
Figura 63.- Generador eléctrico lineal de tipo TAPM
En contrapartida, la eliminación de material ferromagnético provoca que el flujo tenga
que ser concatenado completamente a través del aire, lo cual limita considerablemente
los niveles de potencia que pueden ser alcanzados debido a la baja permeabilidad
magnética del aire.
En su funcionamiento, el fuste del dispositivo está fijado al fondo marino mediante el
sistema de anclajes mientras que el flotador oscila verticalmente a lo largo del fuste
debido a la acción del oleaje. El rotor lineal, es decir, los imanes, se encuentra unido al
flotador del dispositivo, estando el estator integrado en el interior del fuste. En la parte
Línea de Negocio Energías del Mar
82
INABENSA
inferior del dispositivo se sitúa la salida del cable umbilical encargado de la evacuación
de la potencia generada.
~4m
Flotador
~7m
Generador
eléctrico lineal
Fuste
(spar)
Lastre
Figura 64.- Dispositivo L-10 [Brekken, 2009]
Se puede ampliar la información consultando los siguientes autores: Elwood, 2009;
Rhinefrank, 2006 y Jouanne, 2008.
•
Trindent Energy
El TE5 es un generador lineal desarrollado por la empresa Trident Energy para ser
emplazado sobre estructura flotante. Es también de tipología air-cored pero se colocan
unas láminas ferromagnéticas alrededor de las bobinas que ayudan al guiado del flujo
magnético y permiten una ganancia en la potencia de salida. El generador está diseñado
para una potencia de 30 kW. La tipología tubular del generador fue elegida por su
simplicidad constructiva y su baja auto inductancia unitaria [Clifton, 2009].
Figura 65.- Visión interior del dispositivo TE5
Cada estructura flotante está compuesta por cuatro flotadores y cada flotador acciona a
través de un mástil rígido a dos generadores, aislados uno del otro a través de un
Línea de Negocio Energías del Mar
83
INABENSA
sistema mecánico que equilibra las fuerzas en ambos lados, y con un sistema axial de
bobinado bifásico.
Su principal característica diferenciadora radica en su estrategia de supervivencia.
Cuando se detectan olas superiores a una cota establecida (1,7 metros) los generadores
pasan a funcionar como motores y el dispositivo es replegado para evitar sobrecargas y
garantizar su supervivencia.
Figura 66.- Principio de operación del TE5 e imanen de su transporte a la zona de pruebas.
Sin embargo, su instalación bajo la configuración de estructura flotante se ha convertido
quizás en uno de sus principales hándicaps, ya que en las pruebas realizadas en mar en
2009 la estructura volcó, evidenciando los problemas de estabilidad que su uso genera.
•
Snapper
Sistema de generación lineal propuesto por Ed Spooner (Univ of Durham) y desarrollado
bajo financiación FP7 en colaboración con la Universidad de Edimburgo. Los trabajos de
investigación y desarrollo están aún enfocados en el propio generador, sin estar todavía
establecido el dispositivo en el que este sería implantado [Spooner, 2010].
En este sistema tanto el translator como el estator son partes móviles del dispositivo. El
translator está directamente accionado por la boya, mientras que el estator no está
fijado a la base del dispositivo, sino que se encuentra vinculado mediante un muelle a
este, siguiendo durante una parte del recorrido el movimiento del translator. Alcanzado
un cierto límite, el cual se determina con el dimensionamiento del muelle, el estator
retrocede hasta la siguiente posición de equilibrio de los imanes, cediendo la energía
acumulada en las bobinas y aumentando la velocidad relativa entre translator y rotor,
solucionando así uno de los problemas inherente de los ‘direct drive’ como es la baja
velocidad vertical que produce el oleaje.
Con esta modalidad de funcionamiento se disminuye también en cierto grado la
dependencia de la potencia producida con respecto a la amplitud de la ola. En sus
estudios publicados argumentan que la relación de la potencia generada con la amplitud
del oleaje no es lineal, como en el resto de los casos, y para una reducción del 50% de
la amplitud del oleaje se consigue hasta un 80% de la potencia nominal [Bailey, 2010].
Línea de Negocio Energías del Mar
84
INABENSA
Figura 67.- Esquema de funcionamiento del Snapper
Este sistema presenta además un excelente ratio de potencia masa, 30kW/Tn frente a
los aproximadamente 4kW/Tn de los generadores lineales clásicos de imanes
permanentes.
El objetivo del proyecto es conseguir un ahorro en los costes basado en reducción de
material necesario, disminuyendo de 40k€ a 7k€ para una máquina de 175kW. El
generador está diseñado para su implementación en un absorbedor puntual, y se
estudia su posible implementación a dispositivos de energías de las corrientes,
presentando una eficiencia energética del 75-80% [Snapper, 2010].
Tras el análisis de esta tecnología, se podría deducir que quizás su mayor inconveniente
es la necesidad de mayores labores de mantenimiento, debido a la existencia de más
partes móviles. A su vez, se observa el punto crítico que supone el dimensionamiento
exacto de los muelles.
•
Hybrid Trans / Long Flux
Este tipo de generador lineal está siendo desarrollado por la universidad de Wisconsin.
Nos encontramos en el mismo caso del snapper, los trabajos están enfocados en el
desarrollo del generador, sin estar en principio acotado su uso a un dispositivo concreto.
Como principal característica destaca la eliminación de los imanes permanentes en el
rotor lineal y la inducción del campo magnético mediante una corriente de excitación
en el bobinado alojado en el rotor lineal, evitando así los problemas asociados a las
fuerzas cogging y la atracción entre imanes y estructuras [Vining, 2009].
La principal ventaja de este tipo de inducción es la capacidad de evitar sobrecargas ante
oleajes, ya que permite regular el campo magnético en el entrehierro, permitiendo por
tanto un dimensionamiento óptimo de los subsistemas implicados en la generación
(cableado, electrónica de potencial...) evitando los sobredimensionamientos excesivos
que generan sobrecostes.
El término ‘hybrid’ hace referencia a que la concatenación del flujo magnético se realiza
de manera distinta en el estator y en el rotor lineal.
Línea de Negocio Energías del Mar
85
INABENSA
En el estator el flujo magnético es guiado en dirección longitudinal, paralelo al
movimiento del rotor lineal, favoreciendo el acoplamiento magnético. En el rotor lineal,
en cambio, el flujo es transversal a la propia dirección de movimiento aumentando la
densidad de fuerzas.
Figura 68.- Esquema de funcionamiento del generador híbrido
La máquina puede ser montada con tres tipos de inducción. Asíncrona (AC), síncrona
(DC) o con jaula de ardilla. Las ventajas e inconvenientes de cada montaje se exponen
Tabla 20.
Tabla 20.- Distintos tipos de inducción del generador hibrido
Asíncrono
• En grandes
máquina, el modo
asíncrono es más
estable que el
síncrono debido a
los efectos de
amortiguamiento.
• Ofrece una mejor
captura de energía
• Requiere más
electrónica de
potencia
Síncrono
• Menor necesidad de
electrónica de
potencia
• Un sistema
bobinado puede ser
más adecuado en
ambientes marinos
debido a la
fragilidad de los
imanes
Jaula de Ardilla
• Robustez en el
diseño
• Requerimiento de
poca electrónica de
potencia
• Bajos rendimientos a
bajas velocidades
• Grado de control
limitado
• Se puede usar un
cable flexible en
lugar de los anillos
usados en máquinas
rotativas
Este generador tiene paralelamente desarrollado un sistema de control que garantiza la
máxima extracción de potencia en función de la velocidad y mantiene la ortogonalidad
del flujo entre rotor lineal y estator [Vining, 2010].
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86
INABENSA
•
Novel Air-cored Typology
Es un nuevo concepto de tipología air-cored propuesto por la Universidad de
Stellenbosch [Vermaak, 2010]. La máquina consiste en un cierto número de generadores
lineales de doble cara (planos) dispuesto de manera tubular.
Como principales ventajas presenta la reducción total de masa y perdidas, por la
eliminación de los ’yokes’ de hierro, la eliminación de las fuerzas normales y una mejor
distribución del flujo magnético en el entrehierro.
Las secciones individuales del estator son construidas modularmente, lo que supone un
ahorro en costes y un fácil montaje y posibilidad de rápido recambio ante averías.
Pueden ser conectadas en serie o en paralelo. Las bobinas están dispuestas de modo
‘non-overlapping’ lo que supone un ahorro en masa, y coste, del cobre y una mejora de
la eficiencia.
La eliminación de las fuerzas cogging en el estator air-cored supone también una mejora
en la calidad de onda de salida.
Figura 69.- Prototipo de la nueva tipología de air-cored y detalle de bobinado.
En la Tabla 21 podemos observar la evolución en el diseño que ha seguido el equipo
encargado de su desarrollo. De ella podemos deducir que la tendencia es la búsqueda
de una solución de compromiso, en la que cabe la opción de disminuir parámetros
como el nivel de producción o la eficiencia a cambio de importantes reducciones de
material activo.
Tabla 21.- Evolución en el diseño del prototipo [Vermaak, 2010]
Primer prototipo
2kW con 90% de eficiencia.
Segunda evolución
27% de longitud activa más corta,
diámetro 10% mayor. 10% menos de PM
y 26% menos de cobre. 2kW
manteniendo un 90% de eficiencia.
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Tercera evolución
Línea de Negocio Energías del Mar
31% de longitud activa más corta, 35%
de reducción de PM y 46% menos de
cobre. 2kW con 85% de eficiencia.
88
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5.2 Generador Eléctrico Rotativo
A continuación pasaremos a realizar una descripción de la máquina eléctrica rotativa.
Esta es una tecnología bien conocida y desarrollada en el campo industrial y cuya
aplicación en los dispositivos undimotrices se está empezando a plantear precisamente
para aprovechar su estado de madurez. En su aplicación a este campo, los generadores
que con más fuerza están siendo probados son los de imanes permanentes, y será en
ellos en los que centraremos el análisis.
Todas las máquinas eléctricas estás constituidas por uno o varios circuitos eléctricos
acoplados magnéticamente. Para reforzar este acoplamiento, y por tanto, aumentar la
potencia que son capaces de transformar por unidad de volumen se utilizan materiales
ferromagnéticos que tienen una doble función: por un lado, permiten estableces un
camino de baja reluctancia para el campo magnético, y por otro, sirven de soporte
estructural a los devanados y sus aislantes. Las máquinas eléctricas constan de una parte
fija llamada estator, y de una móvil llamada, en las máquinas rotativas, rotor.
El estator está constituido por chapas magnéticas apiladas o material ferromagnético
macizo, va alojado bajo una carcasa o envolvente de protección que tiene como misión
protegerlo de contactos y agresiones externas y dar rigidez al conjunto, así como
permitir su fijación a la base o estructura que soporta la máquina. El rotor, constituido
asimismo por chapas de material ferromagnético, va montado sobre un eje que
constituye el elemento resistente y que es el encargado de transmitir el par al sistema
mecánico. Entre el rotor y el estator existe un espacio de aire llamado entrehierro que
además de proporcionar la holgura mecánica suficiente para permitir el libre giro del
rotor es la zona de espacio donde realmente tiene lugar el proceso de conversión
electromagnética explicado en la primera sección de este capítulo.
Se comenzará por analizar la máquina rotativa síncrona elemental. Esta consta de un
estator en forma de cilindro hueco, que dispone de ranuras practicadas en su superficie
interior, paralelas a las generatrices del cilindro, en cuyo interior se alojan los
conductores del devanado (A-A’ en la figura). El rotor puede ser de polos salientes o de
rotor liso, como se muestra en la Figura 70. En ambos casos, las bobinas del rotor se
conectan en serie entre sí y se conectan a dos anillos rozantes de material conductor
(normalmente aleación de cobre) fijos en el eje pero aislados eléctricamente de él, sobre
los que se hacen contacto unas escobillas de carbón (grafito) fijas a la carcasa y
conectadas a una alimentación exterior de corriente continua.
Línea de Negocio Energías del Mar
89
INABENSA
Figura 70.- Estructura de una máquina síncrona monofásica elemental de polos salientes (izqda) y de rotor liso (dcha)
En reposo, al circular una corriente por el devanado inductor del rotor, se crea un flujo
magnético que cruza el entrehierro saliendo por un polo Norte, recorriendo el circuito
magnético del estator y retornando al rotor por un polo Sur. La forma de los polos
inductores o la distribución de los conductores del rotor es tal que la variación de la
inducción magnética B a lo largo de la periferia del entrehierro es aproximadamente
senoidal.
Si hacemos girar el rotor a velocidad constante, el flujo abarcado por una espira situada
en dos ranuras del estator diametralmente opuestas variará de forma senoidal,
induciéndose por tanto una tensión de frecuencia constante proporcional a la velocidad
de giro del rotor. Si conectamos una resistencia a los extremos de esa espira, circulará
una corriente, y la potencia disipada en la resistencia procederá de la potencia mecánica
puesta en juego para mover el rotor. Se obtiene así una máquina sincronía monofásica
elemental.
Si ahora colocamos dos espiras más en el estator desfasados entre sí 120º, como se
indica en la Figura 71, aparecerán en ellos los mismos fenómenos anteriores (tensiones y
corrientes inducidas) pero con desfase en el tiempo igual a 1/3 de periodo,
correspondiente al tiempo que tarde el rotor en pasar por posiciones homólogas
respecto de cada una de las tres espiras. Tenemos entonces una máquina trifásica
elemental.
Figura 71.- Máquina trifásica síncrona elemental
Un caso particular de estas máquinas síncronas son las máquinas de imanes
permanentes. Estas básicamente sustituyen el devanado inductor y los necesarios anillos
rozantes de alimentación por imanes permanentes en el rotor. Esta solución ha sido
posible dados los enormes avances que se han conseguido en la fabricación de imanes
permanentes en cuanto a la energía almacenada (producto de energía del material) y
resistencia a la desmagnetización (campo coercitivo). A causa de las propias
características de estos materiales magnéticos, la forma geométrica, y sobre todo la
Línea de Negocio Energías del Mar
90
INABENSA
disposición de los imanes en el interior del rotor, adopta formas muy diversas: imanes
superficiales, imanes interiores, con y sin dispositivos de concentración de flujo, etc.
También existen máquinas de corriente continua de pequeña potencia en las que el
devanado inductor se ha sustituido, pero en este caso las diferencias estructurales con
las máquinas de corriente continua clásicas son mucho menores.
Figura 72.- Diferentes tipos de inductores con imanes permanentes
Este tipo de máquinas de imanes permanentes es conveniente para su aplicación en
dispositivos undimotrices offshore, así como en eólica offshore debido a la exigencia de
su funcionamiento en isla. Este tipo de generadores además de disponer de mejores
rendimiento y de soportar sobrecargas transitorias mayores presentan un excelente
comportamiento dinámico (tiempos de respuesta reducidos, control del par instantáneo,
errores mínimos en sistemas de posicionados, etc.). En el caso de su empleo en la
tecnología offshore puede ser de utilidad el uso de generadores con imanes
permanentes en los que la fuerza magnetomotriz básica para el funcionamiento de la
máquina procede de la propia característica de magnetización de los imanes.
Existen dos configuraciones básicas: máquinas de imanes superficiales y máquinas de
imanes interiores. En el primer caso, los imanes permanentes tienen forma
aproximadamente de “pastilla” y están fijados a la superficie exterior de un rotor de
material ferromagnético y con forma cilíndrica. La magnetización de los imanes es radial
y su ancho es una fracción del paso polar, normalmente comprendida entre 0,66 y 0,80.
Una variante de esta disposición es aquella en la que los imanes están parcialmente
encastrados en el circuito magnético del rotor. En la segunda configuración los imanes
se encuentran dispuestos en forma sensiblemente radial en el interior del circuito
magnético del rotor, y el sentido del campo magnético en ellos es circunferencial, de
modo que las líneas de campo magnético alcanzan el entrehierro por los espacios
comprendidos entre imanes (Figura 73) Una u otra disposición influyen de forma
sensible en las características funcionales de la máquina.
Línea de Negocio Energías del Mar
91
INABENSA
Figura 73.- Diferentes configuraciones de máquinas de imanes permanentes
En cualquier caso, la densidad de flujo en el entrehierro está relacionada directamente
con la inducción en el punto de trabajo ( Bm , H m ) del imán, que se obtiene por la
intersección de la recta de carga dada por la ecuación siguiente:
Bm = − µo
Aδ lm
H m = − µo CP ⋅ H m
Amδ
CP =
(Ecuación 21)
Aδ lm
Amδ
y la característica de desmagnetización del imán. En el segundo cuadrante, esta última
se puede aproximar en la mayor parte de los casos por una recta de ecuación:
Bm = Br + µr µo H m
(Ecuación 22)
donde µr es la permeabilidad correspondiente a la recta de retorno del imán, como se
muestra en laFigura 74.
Figura 74.- Determinación del punto de trabajo del iman
Combinando la ecuación 21 y la relación Bm Am = Bδ Aδ obtenemos:
Bδ = − µ0
lm
δe
Hm
(Ecuación 23)
Y tras operar resultan los valores:
Bm = Br
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CP
CP + µ r
(Ecuación 24)
92
INABENSA
Bδ = Br
CP
Cφ
CP + µ r
(Ecuación 25)
En donde CP es el coeficiente de permeancia definido anteriormente y δ e es el
entrehierro efectivo, después de considerar el factor de Carter. Esta última ecuación
también se puede escribir de la forma:
Bδ = Br
lmCφ
µrδ eCφ + lm
(Ecuación 26)
Al coeficiente Cφ = Am / Aδ entres las secciones de paso de flujo en los imanes y en el
entrehierro se le denomina factor de concentración de flujo. En el caso de imanes
superficiales, al ser estos por lo general de pequeño espesor, la sección transversal de los
imanes coincide con la sección transversal del entrehierro y Cφ es próximo a la unidad.
No es éste el caso de las máquinas de imanes interiores, en donde Cφ puede ser
bastante mayor, permitiendo así que, para una misma inducción en el imán, la inducción
en el entrehierro sea algo mayor.
Como se indica en la Figura 75, las inducciones remanentes oscilan entre 0,4 T para las
ferritas y los 0,9-1,2 T en los imanes de tierras raras. Con estos últimos, por tanto, no es
difícil conseguir densidades de flujo en el entrehierro entre 0,8-0,9 T, que se traducen
en los dientes en los habituales valores próximos a los 1,8 T. La menor capacidad de
magnetización de los imanes de ferrita debe compensarse con una mayor fuerza
magnetomotriz de inducido, lo que implica diseñar la máquina con dientes más
estrechos y ranuras más anchas y aprovechar el mencionado factor de concentración de
flujo a base de disponer los imanes radialmente.
Figura 75.- Características de desmagnetización de diferentes materiales
La forma de la onda de inducción en el entrehierro creada por los imanes superficiales es
de tipo rectangular. Suponiendo que éstos tengan una anchura relativa y β = b p / τ p
respecto del paso polar, la amplitud del primer armónico de la onda de inducción será:
B1 =
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4
π
Bδ sin
βπ
2
93
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Este valor es el que interviene en la del cálculo del flujo por polo debido al armónico
fundamental. La fuerza electromotriz Ef inducida por los imanes es, por tanto,
constante. Un generador síncrono construido de esta forma no podría regular la tensión
en bornes ni la potencia reactiva generada.
Dado que la permeabilidad relativa de los imanes es muy próxima a la del aire, una
máquina de imanes superficiales se comporta como una máquina lineal, debido al
elevado valor del entrehierro ( I m + δ e ) . Además, como la reluctancia del entrehierro
según ejes d y q es la misma, es perfectamente aplicable la teoría de reacción única.
En las máquinas de imanes insertados (Figura 73b) la situación es algo diferente, ya que
en este caso la reluctancia según ejes d y q no es idéntica. Además y a diferencia de lo
que en las máquinas de polos salientes, dicha reluctancia es mayor según el eje d que
según el eje q, debido a que en el segundo caso el entrehierro total efectivo es algo
menor. La principal consecuencia es que la curva par-ángulo de carga presenta el efecto
del par de reluctancia pero con la forma cambiada, como se muestra en la Figura 76.
Una situación similar se da en las máquinas de imanes interiores, en las que los trayectos
de flujo según el eje d han de atravesar inevitablemente el espesor del imán, de baja
permeabilidad, mientras que a lo largo del eje q los trayectos de flujo pueden
establecerse completamente a través de material ferromagnético de alta permeabilidad.
Figura 76.- Forma de las curvas par-ángulo para máquinas de imanes superficiales, insertados y radiales
Dada la imposibilidad de estas máquinas para variar la frecuencia magnetomotriz de
excitación hay que recurrir inevitablemente a controlar de forma adecuada la reacción
de inducido. Esto se puede conseguir con relativa facilidad cuando la máquina se
conecta a la red mediante un convertidor de frecuencia. En el caso de un generador, la
tensión en bornes se convierte en corriente continua en un circuito intermedio mediante
un rectificador para posteriormente convertirla en alterna a la frecuencia de red. Este
tipo de convertidores de frecuencia está formado por dos puentes trifásicos controlados
en tensión, frecuencia y fase, tanto del lado de la red como del lado de la máquina, de
modo que para cualquier frecuencia de alimentación de la máquina (y, por tanto, para
cualquier velocidad de giro) se pueden controlar de forma independiente el valor eficaz
de la corriente en cada puente y su ángulo de desfase o, lo que es lo mismo, el factor de
potencia (control de velocidad). El resultado es que no sólo se puede controlar el
instantáneo de la máquina, lo que abre las puertas a un control extraordinariamente
preciso de la velocidad, sino también el nivel de flujo magnético de la máquina, ya que,
según la teoría de la máquina síncrona, la reacción de inducido puede ser magnetizante
o desmagnetizante y por tanto puede reforzar o reducir el flujo en el entrehierro. (Figura
77)
Línea de Negocio Energías del Mar
94
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Figura 77.- Esquema de conexiones de un generador undimotriz de imanes permanentes a frecuencia variable
En el funcionamiento de la máquina como generador el objetivo no es tanto mantener
una determinada tensión constante, ya que la tensión de salida se controla en magnitud
y fase en el convertidor de salida, como optimizar el comportamiento de la máquina, es
decir, minimización de las pérdidas en el hierro y el cobre, control de los valores de par y
potencia máximos, etc.
Un aspecto de máxima importancia en máquinas de imanes permanentes es el tema de
la posible desmagnetización de los imanes como consecuencia de un cortocircuito
franco en bornes que da lugar a una reacción de inducida totalmente desmagnetizante,
ya que una vez fijados los imanes a la estructura magnética del rotor resulta
enormemente complicado, incluso a veces imposible, realizar su sustitución. Los imanes
permanentes están sometidos a un cierto proceso de desmagnetización lenta que ocurre
de forma natural, pero en presencia de campos magnéticos opuestos, sobre todo si
ocurre con temperaturas elevadas, su desmagnetización total o parcial es irreversible, y
comienza cuando se supera el punto inicial de desmagnetización representado por el
punto D en laFigura 74.
Cuando la máquina está sometida a una frecuencia magnetomotriz desmagnetizante, la
ecuación básica del circuito magnético es
H mlm + H δ lδ = F
(Ecuación 27)
Sustituyendo el valor de H m en la ecuación 22 y teniendo en cuenta que Bm Am = Bδ Aδ
se obtiene:

µ µ r  CP
Bm =  Br + 0 
lm  CP + µ r

(Ecuación 28)
lo cual nos permite formular la condición límite para la desmagnetización ( Bm ≥ BD ) y a
partir de ella fijar el valor de la máxima frecuencia magnetomotriz de reacción de
inducido desmagnetizante:
Flim ≥
Línea de Negocio Energías del Mar
lm  CP + µr

− Br 
 BD
CP
µo µ r 

(Ecuación 29)
95
INABENSA
Obsérvese que el término de la derecha es negativo por tanto supone un límite a la
máxima intensidad desmagnetizante que, para una máquina trifásica, resulta ser:
I lim ≤
πp
3 2 N s kw1
lm  CP + µr

− Br 
 BD
CP
µo µ r 

(Ecuación 30)
5.2.1 Dispositivos con generadores eléctricos rotativos
En general son muchos los dispositivos que están implementando la tecnología
generación rotativa. Se presentan a continuación los que están avanzando más en
desarrollo, mostrando mejores resultados, indicando quién es el responsable de
desarrollo, qué tipología son, los niveles de potencia que desarrollan, su principio
funcionamiento y sus principales ventajas y desventajas.
•
de
su
su
de
Contact-Less Force Transmission System (CFTS)
Este generador, ideado por la Oregon State Unversity, utiliza un mecanismo de bola y
husillo (ball screw) que convierte el movimiento lineal de la oscilación vertical de la ola
en un movimiento rotativo. El eje del mecanismo está conectado mediante un
embrague al eje del generador, por lo que funciona de manera unidireccional, evitando
así someter al eje a mayores solicitaciones mecánicas (Figura 78). Los creadores justifican
el uso del sistema de bola y husillo debido a su gran fiabilidad y extendido uso en la
industria, y también su alta eficiencia mecánica [Agamloh, 2008]
Figura 78.- Descripción de los componentes del CFTS
El pistón se encuentra rodeado de un anillo exterior de imanes permanentes, los cuales
se encuentran acoplados magnéticamente a un anillo interior de acero situado en la
boya. Este acoplamiento magnético es la base de la estrategia de supervivencia, ya que
ante temporales, la ola incidente genera una fuerza vertical sobre el flotador que el
pistón no puede seguir y por tanto el sistema se desacopla, evitándose así sobrecargas
Línea de Negocio Energías del Mar
96
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eléctricas. Cuando se restablece el nivel de oleaje, el pistón y el flotador vuelven a
acoplarse magnéticamente de manera autónoma, comenzando de nuevo a generar.
El sistema de acoplamiento pistón-flotador puede tener diferentes geometrías, las cuales
se muestran en la siguiente figura.
La eficiencia del generador es elevada, ya que se consigue trabajar a altas velocidades de
giro, aunque la eficiencia del sistema del sistema global, en el mejor de los casos es del
60%, para un nivel de generación de 100W, debido a las perdidas introducidas por el
embrague y el mecanismo de bolas (ensayado con una boya de D: 0,6m H: 0,6m y una
longitud activa de aproximadamente 1 m).
El modo de funcionamiento unidireccional del generador permitiría la introducción de
un disco de inercia que estabilizara la señal de salida evitando huecos de tensión
durante el periodo de descenso del pistón, cuando el sistema se encuentra
desembragado.
Otra opción, con vistas a mejorar la eficiencia global y el nivel de energía generada, sería
colocar un segundo generador que se accionara durante el descenso. Cada generador
estaría óptimamente diseñado para las características del empuje en la subida y la
bajada, aunque se debería introducir también un segundo embrague, con sus
consecuentes perdidas y posibles labores de mantenimiento.
De cara a adaptar la máquina a los distintos niveles de oleaje, la boya puede ser
parcialmente inundada para adaptar sus características hidrodinámicas y conseguir un
funcionamiento en resonancia con el oleaje.
Línea de Negocio Energías del Mar
97
INABENSA
•
Manta – SeaRay
Dispositivo desarrollado por Columbia Power Technologies que genera energía eléctrica
aprovechando tanto el movimiento de oscilación vertical (heave) como el de oleada
lateral (surge). Esto provoca que se duplique el nivel de potencia generada con respecto
a absorbedores puntuales de dimensiones similares. Para el aprovechamiento de la
energía de la oleada lateral el dispositivo es auto-orientable [Rhinefrank, 2009].
Figura 79.- Detalle de los generadores y dimensiones
Consiste en dos flotadores, independientes uno del otro, con un rango de giro de 90º y
conectados mediante sus ejes al cuerpo central, en cuya parte superior se sitúa el
generador o generadores. En la parte inferior de mástil se encuentra una base diseñada
para que el dispositivo permanezca relativamente estacionario en dirección vertical.
Las grandes dimensiones de los generadores tienen como objetivo aumentar en lo
posible la velocidad de trabajo en el entrehierro, consiguiéndose, en el caso ideal,
eficiencias del 95% para una velocidad de trabajo en el entrehierro de 1,4 m/s.
Existen varias opciones para el montaje del generador o generadores. Se puede montar
un solo generador con dos partes móviles, es decir, el rotor se encontraría conectado al
eje de un flotador y el estator al otro, de manera que se aumenta la velocidad relativa de
trabajo en el entrehierro de la máquina, o montar dos generadores, fijados al eje del
flotador independiente uno del otro, y trabajando de modo bidireccional.
Otra opción posible, no propuesta por los desarrolladores, sería la de usar los
generadores de manera unidireccional, introduciendo un sistema de embrague y un
disco de inercia, para conseguir una señal de salida más lisa y aumentar la eficiencia del
dispositivo.
Ya han sido validados los modelos a escala 1:50 y 1:33 y están en etapa de diseño los
modelos 1:15 y 1:5, y los resultados del ensayo del modelo numérico reflejaban una
potencia generada entre 250 y 1000kW, dependiendo del clima de oleaje [Rhinefrank,
2011]. El diseño del dispositivo a escala completa presentaría unas dimensiones de 25
metros de altura y 18 metros de diámetro de los flotadores.
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98
INABENSA
•
SeaHeart
Proyecto en estado de idea propuesto por la empresa tecnológica Oceanic Power, sólo
se ha realizado un diseño preliminar de los elementos del conjunto. La propuesta tiene
como objetivo la hibridación con la energía eólica, diseñando plantas offshore donde
ambas tecnologías se encuentren combinadas.
La idea consiste en un flotador en anillo montado alrededor del mástil, o mástiles, de
sujeción de la torre eólica que accione mediante un mecanismo piñón-cremallera un
generador rotativo situado en el interior del propio flotador.
Con respecto a las dimensiones, un flotador de aproximadamente 8 metros de diámetro
podría generar entre 500 y 1000kW.
Plantean diferentes configuraciones de los dispositivos en la planta, aprovechando la
infraestructura y reduciendo así el coste de la energía generada.
Para la disposición óptima se montarían dos generadores en el flotador, diseñados
individualmente para las características concretas de la fuerza de empuje en la subida y
bajada de la ola, cada uno de ellos trabajando de modo independiente y de manera
unidireccional, incluyéndose por tanto en el montaje embrague y discos de inercia. Las
pérdidas introducidas por los sistemas mecánicos nombrados están cuantificadas en un
15%.
El flotador presenta un sistema de válvulas por el cual puede ser parcialmente inundado,
adaptándose así a las características hidrodinámicas del oleaje e incluso ser sumergido
de manera remota como estrategia de supervivencia ante temporales desfavorables.
•
Neptune
Se trata de un dispositivo desarrollado por la empresa del mismo nombre. Este
consistente en una boya que contiene un péndulo horizontal (disco desequilibrado) en
su interior, el cual se encuentra directamente acoplado al eje de un generador eléctrico
rotativo (NeptuneWavePower, 2010).
El diseño modular del dispositivo permite una fácil construcción, transporte, instalación,
anclaje y mantenimiento. No existen partes móviles expuestas al exterior.
Los diseñadores señalan que el dispositivo es operativo con olas de apenas pocos
centímetros (una pulgada), aunque está optimizado para alturas de olas entre 0.5 y 2
metros
Está diseñado para ser instalado entre 50-75 metros de profundidad y a una distancia de
la costa de 1 o 2 kilómetros.
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Los dispositivos tienen una potencia unitaria de 50-100kW y presentan una eficiencia de
70-90%. Están pensados para su instalación en planta de múltiples unidades dispuestas
a 50 metros de distancia entre centros. Tienen un ciclo de vida de 20 años. Los test han
sido realizados en el canal de olas de la universidad estatal de Oregon.
•
C-Gen
Es un nuevo concepto de la tipología air-cored que está siendo desarrollado por la
universidad de Edimburgo aplicado a generadores rotativos de accionamiento directo. El
principal beneficio es la reducción sustancial de la masa total, hasta el 50% con respecto
a máquinas equivalentes con núcleo de hierro y evitar, a su vez, las fuerzas normales con
los imanes permanentes [Keysan, 2010]
La construcción de la estructura se realiza de manera modular por lo que disminuyen los
costes y es fácil de ensamblar.
La reducción de masa permite que se pueda aumentar bastante el radio sin convertirse
en una máquina excesivamente pesada, aumentando así la velocidad relativa de trabajo
en el entrehierro.
Se plantea la posibilidad de que el generador trabaje completamente inundado con el
agua del mar, con ello se mejoraría el comportamiento térmico de la máquina y se
produciría un ahorro en el sistema de aislamiento aunque se aumentarían los
requerimientos de los materiales ante la corrosión.
Se está estudiando la implementación de este tipo de generador en dos dispositivos:
Oyster:
Se disponen dos generadores laterales de 600kW cada uno de tipología de flujo radial.
Este proyecto se realiza de manera paralela al actual sistema hidráulico.
No sería estrictamente un sistema de accionamiento directo, ya que se monta una caja
multiplicadora simple que aumenta la velocidad de giro.
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Turbina Scotrenewables (SRTT)
Dos generadores se accionan mediante turbinas de corrientes colgantes de una
estructura flotante. En este caso el generador presenta una tipología de flujo axial,
aumentando así el ratio de superficie activa contra tamaño.
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5.3 Comparativa Generador Eléctrico Lineal / Rotativo
Llevar a cabo una comparativa entre las distintas tecnologías presentadas anteriormente
no es tarea fácil, debido a la inexistencia de unos estándares en este tipo de máquina
todavía inmaduras y relativamente poco desarrolladas.
Empezaremos por comparar las distintas tipologías de generadores lineales. De ellos, la
tipología más usada hasta el momento ha sido la LFPM. Esto es debido a su simplicidad
constructiva y robustez. Con esta tipología, el problema de las fuerzas normales de
atracción de los imanes permanentes se ha intentado mitigar mediante la multiplicidad
de caras del generador, compensando así dichas fuerzas y aumentan el nivel de potencia
generada [Ivanova, 2005].
Sin embargo, con respecto a la densidad de potencia, la tipología TFPM presenta
mejores condiciones [Polinder, 2005]. De este modo se eleva el ratio potencia masa, y
por tanto potencia precio. Este puede ser un factor clave a la hora de intentar conseguir
reducidos precios de la energía generada para la consecución de un dispositivo
comercialmente viable.
No obstante, esta ventaja lleva asociado dos importantes hándicaps. El aumento de una
mayor densidad de potencia se produce gracias al aumento de las fuerzas tangenciales
desarrolladas, pero esto, como vimos en el primer apartado de este capítulo, esto lleva
asociado un aumento, de manera cuadrática, del nivel de fuerzas normales, las cuales se
disparan, convirtiéndose en esta tipología en un importante problema, provocando que
la estructura este sometida a elevados requerimientos mecánicos.
El segundo inconveniente de esta tipología es la alta reactancia síncrona que presenta el
generador TFPM, y su alta necesidad de compensación de reactiva [Cruz, 2008]. Del
mismo modo, el trabajo a mayores frecuencias eléctricas conlleva mayores pérdidas en el
hierro en esta tipología de generador [Polinder, 2003]. A pesar de estos dos
inconvenientes comentados, la característica de su gran densidad de potencia en el
entrehierro lo convierte en un excelente candidato a ser estudiado y desarrollado con
más profundidad, pues su gran capacidad para producir elevados niveles de potencia
unitaria representa una importante ventaja para conseguir un coste de la energía
generada bajo, uno de los grandes retos a superar por la tecnología undimotriz.
Tanto el problema de las fuerzas normales como las altas reactancias síncronas viene
resuelto con la eliminación del material ferromagnético del estator que se realiza en la
tipología TAPM [Elwood, 2009]. El inconveniente aquí reside en las relativamente bajas
densidades de potencia en el entrehierro que se consiguen debido a la eliminación de
un excelente conductor para el flujo magnético [Szabó, 2007] y que este tenga que ser
concatenado por el aire, de permeabilidad muy inferior [Mueller, 2002]. A pesar de esta
importante desventaja este tipo de generador si ha sido más desarrollado e
implementado en algunos dispositivos precomerciales. Su baja complejidad constructiva
es su gran baza competitiva frente a sus competidores lineales. Su estudio y desarrollo
en diseños como el propuesto por la Universidad de Stellenbosch han alcanzado niveles
muy altos de eficiencia, presentando además importantes oportunidades en el ahorro de
costes de material activo [Vermaak, 2010].
Línea de Negocio Energías del Mar
102
INABENSA
Para estudiar la viabilidad de este concepto se comparó con dos máquinas existentes de
tipología longitudinal, de 1 y 10 kw desarrolladas por OSU y Uppsala respectivamente
[Vermaak, 2010].
Las dimensiones de los imanes, poles, longitud del rotor y del estator de la máquina bajo
estudio se tomaron en base a las ya existentes. Los principales parámetros de las
máquinas que se construyeron se presentan en la TABLA.
Parámetros
OSU
N1
Uppsala
N2
Nucleo del estátor
Iron
Air
Iron
Air
Long. estátor (m)
0.288
0.288
1.3
1.3
Long rotor (m)
1.152
1.152
1.8
1.8
Área entrehierro
(m2)
0.54
1.56
2.08
7
Poles
4
4
26
26
Ancho del Pole
(mm)
72
72
50
50
Ratio ancho imán –
pole
0.72
0.72
0.8
0.7
Frecuencia (Hz)
5.3
5.3
7
7
Densidad de flujo
pico en el
entrehierro (T)
0.94
0.7
1
0.7
Densidad de
corriente (A/mm2)
2.25
2.25
1.8
1.8
Carga eléctrica
(kA/m)
3.67
6.8
9.72
5.5
Tensión tangencial
(kN/m2)
2.44
3.4
6.87
2.7
Fuerza tangencial
(kN)
1.315
5.3
14.29
19.1
Velocidad media
(m/s)
0.76
0.76
0.7
0.7
Potencia (kW)
1
4
10
13.4
Perdidas cobre
(p.u.)
-
0.002
0.06
0.003
Eficiencia (%)
-
79
86
84
Tensión pico por
fase (V)
346
162
163
162
Línea de Negocio Energías del Mar
103
INABENSA
Parámetros
OSU
N1
Uppsala
N2
Resistencia de fase
(Ω )
4.58
2.05
0.4
0.47
Masa de cobre (Kg)
28.55
80
70
315
Masa total de
estator (Kg)
139.4
106
836
419
Masa de imanes
(Kg)
222
504
115
754
Masa total del
rotor (Kg)
1446
607
547
903
Número de
circuitos en
paralelo
-
3
-
18
Se obtuvo de esta comparación que, para la misma longitud activa de la máquina se
aumentaba entre un 190 y 240 % el área de entrehierro con la topología propuesta con
respecto a ambas configuraciones iniciales.
En el caso de la N2, debido a la profundidad de los ‘slots’ que permite mayor número de
vueltas del bobinado, se aumentaba la potencia de salida en un 34%, aunque con una
eficiencia ligeramente inferior. En el caso del N1, la potencia de salida era un 300 %
mayor, aunque aquí la eficiencia era relativamente reducida, alcanzando tan solo el
79%.
Como contra de este tipo de máquinas es el aumento significativo de material de cobre
que supone mayores costes en este concepto a la vez que mayores pérdidas tipo Joule.
Además, el aumento de la superficie de entrehierro conlleva que una mayor parte de
este material de cobre permanezca inactivo durante parte del proceso.
También podemos observar como aumenta considerablemente la masa total de imanes
permanentes usados, con las consecuentes implicaciones económicas que conlleva.
A pesar del aumento en material de cobre e imanes permanentes, la eliminación del
acero de la estructura resulta en una máquina final más ligera.
No obstante, las desventajas de esta tipología pueden ser solventadas, ha de tenerse en
cuenta que estas máquinas no fueron diseñadas bajo criterios de optimización, sino del
modo más equivalente posible a aquellas con las que se compararían.
En términos de eficiencia los generadores lineales que usan imanes permanentes para la
inducción presentan valores muy altos, siempre superior al 80% [Wolfbrand, 2006]. Su
utilización, como se explicó en los apartados anteriores, viene justificada por la
necesidad de las altas fuerzas magnéticas necesarias para conseguir niveles de
producción aceptables a las bajas velocidades de trabajo impuestas por el medio marino.
Este alto nivel de fuerzas electromagnéticas inducidas se convierte en un importante
problema cuando los regímenes de trabajo aumentan considerablemente, es decir, en
Línea de Negocio Energías del Mar
104
INABENSA
temporales y tormentas. En esos momentos se disparan los niveles de producción y se
compromete lo que podríamos considerar como la “supervivencia eléctrica” del
dispositivo. Las sobrecargas producidas en estas condiciones del oleaje pueden dañar los
distintos subsistemas eléctricos involucrados en la generación de energía. Esto obliga
además a que estos subsistemas deban estar ampliamente sobredimensionados, lo cual
no ayuda en la optimización y reducción de los costes de fabricación.
Para evitar estos problemas la alternativa de la inducción mediante sistemas “clásicos”
de corriente de excitación presenta un importante avance. Con estos sistemas las
sobrecargas producidas en temporales y tormentas pueden ser evitas mediante la
regulación en el rotor lineal de las fuerzas electromagnéticas inducidas.
Esta opción presenta también sus desventajas asociadas. Como ya se ha comentado
anteriormente los niveles de fuerzas magnéticas inducidas deben ser altos por las bajas
velocidades verticales del oleaje y con este sistema de inducción los niveles de fuerzas
magnéticas son inferiores a los producidos por los imanes permanentes. Esto supone
pasar de los 1,6 T habituales de las máquinas de imanes permanentes [Wolfbrand,
2006] a niveles de 0,5-0,6 T [Sanz, 2004]. Esta reducción conlleva que los niveles de
potencia por dispositivo sean presumiblemente inferiores.
No obstante también presenta esta tipología una importante ventaja en su facilidad
constructiva, la no existencia de fuerzas normales constantes hace que la construcción y
ensamblaje de estas máquinas sea más sencilla que sus homologas de imanes
permanentes, imponiendo, además, menos requerimientos mecánico sobre la
estructura.
En la Tabla 22 se resumen los principales parámetros expuestos anteriormente.
Tabla 22.- Comparación de generadores lineales
Tipo
Ratio
flujo
(IX/E)
Complejidad
constructiva
LFPM
Potencia por
área de
entrehierro
(kW/m2)
~25
0.1-0.5
Media
TFPM
~50
1.6-2.6
Alta
TAPM
~12.8
<0.3
Baja
Eliminación
de las FN
N/D
N/D
Baja
Control ante
sobrecargas
eléctricas.
Corriente
Excitación
Ventaja
Simple /
Robusto.
Baja
reactancia
sincronía.
Gran
densidad
potencia.
Inconveniente
Bajo ratio
flujo/área
entrehierro.
Alta reactancia
sincronía.
Estator
complejo.
Muy bajo ratio
flujo/área
entrehierro.
Bajo ratio
flujo/área
entrehierro.
Datos obtenidos para velocidades de trabajo de 1m/s.
Línea de Negocio Energías del Mar
105
INABENSA
Con respecto a los generadores rotativos, su primer desventaja, es que necesitan, de
manera inequívoca un paso de conversión del movimiento lineal, propio del recurso, al
rotativo.
Este paso no implica que no se trate de generadores de accionamiento directo, pues la
velocidad de trabajo del generador sigue estando directamente establecida por la del
recurso. Pero si provoca que las eficiencias totales en la conversión sean inferiores con
respecto a los generadores lineales.
No obstante, el uso de generadores rotativos supone una ventaja tecnológica, que se
basa en su madurez. El uso de este tipo de máquinas, altamente desarrolladas y usadas
en diversos sectores tecnológicos supone un importante avance en el logro de un
dispositivo comercialmente viable. Sin embargo, aunque las máquinas rotativas
presentan también niveles altos de eficiencia, estos suelen ser efectivos a altas
velocidades de trabajo. Esta condición sin embargo no es así en su aplicación a la
tecnología undimotriz. Descartamos además el uso de cajas multiplicadoras, por las
pérdidas que introducen. Por tanto, es necesario un esfuerzo en el desarrollo de
máquinas rotativas específicamente diseñadas para su aplicación a la tecnología de las
olas que mejoren los niveles de eficiencia actuales.
Comparando los generadores rotativos expuestos en el apartado anterior, podemos
realizar una clara distinción; aquellos diseñados para trabajar de modo unidireccional, y
los diseñados para trabajar de modo bidireccional.
Estos últimos parecen ser la tendencia más dominante, al presentar mejores niveles de
eficiencia [Rhinefrank, 2009]. Esta eficiencia se debe a que no se introduce ninguna
etapa intermedia de conversión del movimiento. Sin embargo también presentan
algunas desventajas. La primera de ella son lo elevados requerimientos mecánicos a los
que someten al eje de transmisión. De nuevo recordaremos que la generación basada en
la energía de las olas está definida por bajas velocidades y grandes fuerzas. Estas
grandes fuerzas se traducen en grandes pares en el eje que, además, cambian de signo
cada pocos segundos.
El otro inconveniente de los generadores bidireccionales es que producen la energía,
como en el caso de los generadores lineales, mediante pulsos irregulares. Esto supone
de nuevo requerimientos añadidos a la electrónica de potencia involucrada en el proceso
de generación, la cual ha de estar diseñada para tratar grandes pulsos de potencia y
ejercer un control sobre la máquina de manera que se maximice la energía generada
[Mueller, 2002].
Este inconveniente de los generadores bidireccionales se traduce en la gran ventaja de
los generadores unidireccionales, los cuales producen energía de una manera más
regular, aliviando los requerimientos de la etapa de potencia y permitiendo que el
control de la máquina pueda estar basado en un sistema mecánico actuando sobre el
eje de transmisión.
Otra ventaja de los generadores unidireccionales es que permiten un cierto
almacenamiento de energía mediante sistemas clásicos como los volantes de inercia. Su
uso, permitiría aumentar las eficiencias de estos, y estabilizaría aún más el nivel de
producción [Barton, 2004].
Línea de Negocio Energías del Mar
106
INABENSA
Plantear una etapa de acumulación de energía en lo generadores bidireccionales solo
podría ser posible de manera similar a los generadores lineales, mediante el uso de súper
condensadores o acumulación por uso de baterías de hidrogeno [Molinas, 2007].
Tabla 23.- Comparación de generadores rotativos
Tipo de Generador
Ventaja
Inconveniente
Bidireccional
Eficiencias más elevadas
Elevados requerimientos
mecánicos en el eje.
(con respecto a los
unidireccionales)
Unidireccional
Generación más estable.
Posibilidad de acumulación
de energía.
Etapa de electrónica de
potencia más sencilla.
Generación a pulsos.
Mayor número de
componentes mecánicos.
Menores eficiencias.
Mayor mantenimiento.
Teniendo en cuenta ambos conceptos, lineal y rotativo, se llevó a cabo una investigación
por parte de la OSU (Oregon State University) en la que se comparaban diversos
conceptos de generación lineal y rotativos [Brekken, 2010].
En él, se modelaron y construyeron a escala los cinco generadores con características
más prometedoras. El resultado del estudio estableció, que, con el estado actual de la
tecnología, el generador eléctrico lineal, en configuración de absorción lineal, solo es
una buena solución para niveles de potencia reducidos, inferiores a los 10 kW,
quedando por tanto su uso limitado a las pequeñas aplicaciones de energía undimotriz
[Rhinefrank, 2006].
Para valores superiores a esta cota, los problemas aparecidos en la estructura y las barras
del generador lineal hacen que no sea una opción viable, quedando como la mejor
opción el generador rotativo bidireccional, similar al usado en el dispositivo Manta –
SeaRay. Conclusiones similares han sido presentadas recientemente por Grilli (2011),
donde se proponen dos dispositivos de tipología lineal para su trabajo en aguas que
presentan bajos niveles de potencia extraíble. Estos están diseñados para potencia no
superiores a 1 kW, y aprovechar la energía generada para alimentar posible equipos
auxiliares de puertos o plataformas marinas.
En la última parte del capítulo trataremos realizaremos una selección de la tecnología
con mejores características de cara a una futura planta de generación de energía de las
olas.
Para realizar esta selección tecnológica hemos de tener en cuenta multitud de variables.
Una de las claves de éxito para alcanzar la comercialización de este tipo de energía es
conseguir un coste de la energía competitivo con el resto de tecnologías. Esto pasa por
reducir al máximo las labores de mantenimiento del dispositivo, ya que estas tienen una
fuerte influencia sobre el coste final de la energía generada.
Por ello, los siguientes aspectos son deseables en la tecnología undimotriz:
Línea de Negocio Energías del Mar
107
INABENSA
• Menor número de componentes
• Potencial para alcanzar una gran potencia por dispositivo
• Acceso sencillo al equipamiento
• Instalación y desmontaje sencillo
• Menor ocupación de área de mar por unidad de energía producida
• Menor oscilación de la energía eléctrica enviada a la red
• Utilización de equipamientos convencionales
• Potencial para la reducción de costes
• Estrategias de supervivencia bien identificadas
Las tecnologías de energía undimotriz anteriormente presentadas van a ser evaluadas
atendiendo a 3 niveles; estado actual de la energía, viabilidad técnica y credibilidad de la
tecnología, y viabilidad económica de la tecnología y credibilidad del tecnólogo.
Nivel
Estado
actual
tecnología
Criterio
de
la
Desarrollo actual de la tecnología
kW/nº de componentes
Utilización de equipamiento estándar
Utilización de anclajes estándar
MW / km2 con un potencial energético de 40 kW/m
Viabilidad
técnica
y
credibilidad de la tecnología
Supervivencia
Consistencia en el desarrollo
Experiencia del equipo de desarrollo
Viabilidad económica de la
tecnología y credibilidad del
tecnólogo
Costes de producción presentados por el tecnólogo
Posibilidad de reducción de costes
Capacidad de Instalación en diversas zonas del mundo
Operaciones de instalación y mantenimiento
Línea de Negocio Energías del Mar
108
INABENSA
Estado actual de la tecnología
• Desarrollo actual de la tecnología
El conocimiento y análisis de esta etapa de desarrollo de cada tecnología nos permite
prever el horizonte temporal hacia la comercialización y el coste que supondrá.
Bajo este criterio, presentamos en la siguiente Tabla 24, de mayor desarrollo a menor,
las distintas tecnologías presentadas en el apartado anterior:
Tabla 24.- Comparación de tecnologías por estado de desarrollo
Pos
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Tecnología
AWS
Seabased
Manta–Sea Ray
L-10
Trident Energy
Neptune
Snapper
CFTS
C-Gen
Novel Air-cored Typology
Hybrid Trans/Long Flux
SeaHeart
Generador
Lineal
Lineal
Rotativo
Lineal
Lineal
Rotativo
Lineal
Rotativo
Rotativo
Lineal
Lineal
Rotativo
Estado
5
5
4
3
3
3
2
2
2
1
1
1
Criterio de puntuación: 1-Menor estado de desarrollo, 5-Mayor estado de desarrollo
Como hemos observado, el mayor estado de desarrollo lo ocupa el dispositivo de AWS
junto al dispositivo Seabased, ambos de tipo lineal, aunque el primero, tras varios años
de desarrollo usando un generador eléctrico lineal haya sufrido un cambio hacia un
sistema hidráulico. Observamos que los conceptos de generadores eléctricos lineales
más desarrollados corresponden a la tipología LFPM, aunque actualmente se estén
realizando importantes investigaciones tanto en la tipología aircored como en los
conceptos sin imanes permanentes.
La aplicación de generadores rotativos, aunque con algo más de retraso también está
entrando con fuerza en su aplicación a absorbedores puntuales debido al avance en
madurez tecnológica que supone y al aumento en los niveles de potencia.
• kW/nº de componentes
La potencia de los prototipos influye de forma notable en los costes de fabricación y
producción, así como en la ubicación del dispositivo. Es importante saber en qué medida
la potencia de los prototipos es escalable al tamaño real, y las posibilidades a escala
completa de aumentar la potencia del dispositivo, ya que muestra el posible margen de
mejora de la tecnología.
Línea de Negocio Energías del Mar
109
INABENSA
A este respecto clasificaremos en la Tabla 25 los distintos dispositivos bajo estudio
atendiendo a su ratio de potencia por número de componentes distinguiéndolos entre
bajo, medio y alto.
Tabla 25.- Comparación de tecnologías por ratio potencia número de componentes
Pos
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Tecnología
L-10
AWS
Seabased
Novel Air-cored Typology
Hybrid Trans/Long Flux
Snapper
Trident Energy
Manta–Sea Ray
Neptune
C-Gen
CFTS
SeaHeart
Generador
Lineal
Lineal
Lineal
Lineal
Lineal
Lineal
Lineal
Rotativo
Rotativo
Rotativo
Rotativo
Rotativo
Ratio
Bajo
Bajo
Medio
Medio
Medio
Alto
Alto
Alto
Alto
Alto
Alto
Alto
Los generadores eléctricos lineales, en consecuencia de los expuesto en la anterior
clasificación presentan una mayor simplicidad en lo que a número de componentes se
refiere, lo cual les otorga dos importantes características, elevadas eficiencias y
reducción de labores de mantenimiento. Los generadores rotativos, en cambio,
incorporan un paso para la conversión del movimiento, lo cual supone ciertas pérdidas
energéticas, así como posibles actividades de mantenimiento.
• Utilización de equipamiento estándar
Con el análisis de este parámetro medimos la fiabilidad técnica de las distintas
tecnologías. La utilización de componentes estándar permite reducir los fallos, al existir
mayor disponibilidad de componentes de cara a la sustitución o reparación de los
mismos, aumentando por tanto la seguridad.
Según el criterio de utilización de elementos estándar se establece la clasificación de la
Tabla 26.
Tabla 26.- Comparación de tecnologías por utilización de equipamiento estándar
Pos
1
2
3
4
5
6
Tecnología
Manta–Sea Ray
CFTS
SeaHeart
Neptune
C-Gen
L-10
Línea de Negocio Energías del Mar
Generador
Rotativo
Rotativo
Rotativo
Rotativo
Rotativo
Lineal
Uso
Elevado
Elevado
Elevado
Elevado
Medio
Medio
110
INABENSA
7
8
9
10
11
12
Seabased
AWS
Trident Energy
Snapper
Novel Air-cored Typology
Hybrid Trans/Long Flux
Lineal
Lineal
Lineal
Lineal
Lineal
Lineal
Medio
Bajo
Bajo
Bajo
Bajo
Bajo
Concluimos con esta clasificación en algo que ya habíamos comentado con anterioridad,
y es que el mayor estado de madurez de los generadores rotativos se traduce en la
existencia de unos componentes estándares que aportan mayor fiabilidad y aumentan
las garantías de éxito de los dispositivos. Este es el gran objetivo a conseguir en el
desarrollo de generadores lineales, adquirir una madurez tecnológica tal que se pueda
garantizar su funcionamiento en aplicaciones de energía de las olas.
• Utilización de anclajes estándar
Parámetro muy relacionado con el anterior, su análisis se basa en la búsqueda de la
mayor fiabilidad posible. En este caso el elemento bajo estudio es el anclaje, que
responde a criterios mecánicos y de ahí su evaluación por separado con respecto al
punto anterior, donde los criterios evaluados eran de carácter eléctrico.
Establecemos en este caso una clasificación en la que sólo se encuentran incluidas
aquellas tecnologías que han sido implementadas en un dispositivo y lanzadas al mar.
Tabla 27.- Comparación de tecnologías por utilización de anclajes estándar
Pos
1
2
3
4
5
Tecnología
AWS
Seabased
Manta–Sea Ray
L-10
Trident Energy
Generador
Lineal
Lineal
Rotativo
Lineal
Lineal
Anclajes
Estándar y universal
Estándar y universal
Estándar
Estándar
Poco estándar
Los anclajes, no obstante, quedan fuera del alcance de estudio de este proyecto.
• Potencia prevista con un potencial de ‘x’ kW/m
La potencia específica es un parámetro útil para comparar la eficiencia de diferentes
dispositivos, pero para ello ambos deben evaluarse con un potencial energético similar.
En este punto nos encontramos ante una problemática, que es la de definir dicho
potencial energético para comparar las distintas tecnologías, y en caso de ser decidido
este, no sería acertado comparar dispositivos diseñados para distintos potenciales.
Línea de Negocio Energías del Mar
111
INABENSA
Por todo ello, estableceremos en la Tabla 28 la clasificación de las tecnologías en base a
sus eficiencias máximas de conversión de la energía eléctrica.
Tabla 28.- Comparación de tecnologías según su eficiencia
Pos
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Tecnología
Manta–Sea Ray
Neptune
C-Gen
Novel Air-cored Typology
Seabased
SeaHeart
Snapper
CFTS
L-10
AWS
Trident Energy
Hybrid Trans/Long Flux
Generador
Rotativo
Rotativo
Rotativo
Lineal
Lineal
Rotativo
Lineal
Rotativo
Lineal
Lineal
Lineal
Lineal
Eficiencia
95
90
90
90
86
85
80
60
N/D
N/D
N/D
N/D
Puede parecer contradictorio, que siendo las altas eficiencias la principal ventaja del
concepto lineal los primeros puestos estén ocupados por dispositivos con generadores
rotativos. Esto puede explicarse argumentado que los datos aquí recogidos son los
publicados por cada tecnólogo, sin especificarse a veces si estos datos se refieren a
eficiencias máximas, medias, etc. En el caso, por ejemplo, del Manta-SeaRay se trata de
la eficiencia máxima ideal que puede alcanzar el dispositivo a una cierta velocidad
[Rhinefrank, 2009], mientras que el caso del SeaBased corresponde a su eficiencia media
[Engström, 2007]. Por ello volvemos a hacer hincapié en que, bajo las mismas
condiciones de trabajo, los generadores eléctricos lineales presentan eficiencias más
elevadas que los generadores eléctricos rotativos, debido a la inexistencia absoluta de
pasos intermedios en la conversión de la energía.
Viabilidad y credibilidad de la tecnología
• Supervivencia
La supervivencia ante situaciones climatológicas adversas como temporales y tormentas
son factores claves para el éxito en el desarrollo comercial de los dispositivos
undimotrices. Es necesaria la identificación de los aspectos críticos para poder afrontar la
búsqueda de soluciones. Las estrategias ante temporales no garantizan la supervivencia
pero aumentan las posibilidades de éxito.
De nuevo en este punto podremos clasificar únicamente las tecnologías que llevan
asociadas en su desarrollo tanto el generador como el dispositivo, y así lo hacemos en la
Tabla 29.
Línea de Negocio Energías del Mar
112
INABENSA
Tabla 29.- Comparación de tecnologías por estrategia de supervivencia
Pos
1
2
3
4
5
6
7
Tecnología
AWS
Manta–Sea Ray
Trident Energy
Seabased
Neptune
L-10
SeaHeart
Generador
Lineal
Rotativo
Lineal
Lineal
Rotativo
Lineal
Rotativo
Nivel
5
5
4
4
3
3
3
1.-Cuestiones fundamentales en el concepto de la tecnología que ponen en duda la supervivencia
2.-Identificados varios aspectos críticos que ponen en riesgo la supervivencia de la tecnología
3.-Aspectos puntuales aparentemente críticos que no han sido comprobados/explicados
4.-Aspectos puntuales aparentemente críticos con solución presentada (pero no comprobada)
5.-No presenta aspectos particularmente críticos relacionados con la supervivencia
En este apartado merece la pena señalar por separado dos casos que aún no están
implementados en dispositivos, pero que presentan buenas cualidades en su futura
estrategia de supervivencia. En primer lugar nombraremos el generador rotativo C-Gen.
Su aplicación en la tecnología undimotriz está, en principio planteada para su instalación
en la parte inferior del dispositivo Oyster, hibridando tecnología hidráulica y
accionamiento directo. Esta ubicación la zona inferior, pegado al suelo marino, evita
cualquier tipo de peligro ante temporales de oleaje, al ser este un fenómeno de la
superficie del agua. Por otro lado señalaremos las cualidades del ‘Hybrid Trans/Long
Flux’. En lo correspondiente a la sobrecarga eléctrica que se produce en condiciones
desfavorables del clima, la eliminación de los imanes permanentes en los dispositivos
supone una importante ventaja. La posibilidad de regular la inducción garantiza por
tanto la supervivencia ‘eléctrica’ del dispositivo.
En este caso, por tanto, podríamos concluir que la supervivencia no responde tanto a la
tipología del generador como al adecuado diseño del dispositivo, su ubicación y una
correcta estrategia para soportar las condiciones adversas. Aunque como hemos
señalado anteriormente, desde el punto de vista eléctrico, son más adecuados bajo este
criterio aquellas máquinas que no montan imanes permanentes, tanto por la sobrecarga
que producen como por la fragilidad de estos.
• Consistencia en el desarrollo
La forma en que se lleva a cabo el desarrollo de la tecnología es importante, ya que
muestra el grado de planificación, y si se ha planificado de forma correcta el proceso
global. Una gestión dubitativa o con errores muestra que la planificación no ha sido la
adecuada o que se han finalizado etapas sin realizar las verificaciones necesarias.
En este campo resulta especialmente complicado establecer una clasificación, debido a
lo innovativo del campo tecnológico, en numerosas ocasiones el acceso a la información
es complicado o en algunos casos, de uso estrictamente confidencial.
No obstante se ha establecido en la Tabla 30 la siguiente clasificación.
Línea de Negocio Energías del Mar
113
INABENSA
Tabla 30.-Clasificación de las tecnologías según su consistencia en el desarrollo
Pos
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Tecnología
Manta–Sea Ray
AWS
L-10
Seabased
C-Gen
Snapper
Trident Energy
Neptune
Hybrid Trans/Long Flux
Novel Air-cored Typology
CFTS
SeaHeart
Generador
Rotativo
Lineal
Lineal
Lineal
Rotativo
Lineal
Lineal
Rotativo
Lineal
Lineal
Rotativo
Rotativo
Nivel
5
4
4
4
3
3
3
3
3
3
2
1
1 Ausencia de información sobre las simulaciones (falta credibilidad)
2 Falla en algunas etapas importantes del desarrollo
3 Desarrollo estructurado en la fase actual del prototipo
4 Desarrollo estructurado desde la fase conceptual al prototipo
5 Desarrollo muy bien estructurado desde la fase conceptual al desarrollo del prototipo
En este sentido la tecnología del Manta-SeaRay es claramente vencedora. Se trata de un
generador, según sus creadores, de tercera generación, que ha llegado a su escala
completa previo paso por diferentes escalas sometidos a test de supervivencia y niveles
de producción con resultados siempre satisfactorios.
• Experiencia del equipo de desarrollo
La experiencia previa de los integrantes del equipo de desarrollo es un factor
fundamental para el éxito, esta es una garantía de trabajo bien realizado y también
proporciona credibilidad de cara al exterior. Además de la experiencia que se adquiere
con el trabajo, la formación y la vigilancia tecnológica son herramientas importantes.
La tónica habitual en este sentido suele ser empresas tecnológicas trabajando en
estrecha colaboración con investigadores de alguna universidad. Fruto de estos
esfuerzos en investigación surgen, en ocasiones, más de un concepto que pasa ser
desarrollado, como es el caso de las colaboraciones entre Columbia Power Technologies
y la Universidad Estatal de Oregon.
Tabla 31.-Clasificación de las tecnologías según la experiencia del equipo investigador
Pos
1
2
3
4
5
Tecnología
Seabased
Manta–Sea Ray
L-10
CFTS
AWS
Línea de Negocio Energías del Mar
Generador
Lineal
Rotativo
Lineal
Rotativo
Lineal
Nivel
5
4
4
4
4
114
INABENSA
6
7
8
9
10
11
12
Trident Energy
Snapper
C-Gen
Neptune
Hybrid Trans/Long Flux
Novel Air-cored Typology
SeaHeart
Lineal
Lineal
Rotativo
Rotativo
Lineal
Lineal
Rotativo
3
3
3
3
3
3
2
1.-Equipo poco flexible respecto a la cobertura de las áreas necesarias (gestión y tecnología). Falta de información o de credibilidad
en la información disponible
2.-Capacidad demostrada en la gestión o en la parte técnica; pero con carencias en algunas de las áreas
3.-Capacidad demostrada en la gestión y en la parte técnica; pero con margen de mejora significativo
4.-Abarca varias áreas de experiencia en el sector, con capacidad de cubrir las posibles carencias
5.-Gran capacidad de gestión y cuerpo técnico de referencia internacional; experiencia offshore significativa
A pesar de que es importante la experiencia y capacidades de los diferentes equipos de
trabajo que están detrás del desarrollo de cada tecnología, tampoco es del alcance de
este proyecto su valoración detallada.
• Costes de producción presentados por el tecnólogo
Los costes de producción de una tecnología tienen un peso muy importante de cara a su
viabilidad. Hay que tener en cuenta las posibles ayudas que se subvencionan en cada
país, no todos tienen ayudas a la producción. Un cierto coste de producción puede
hacer que una tecnología sea viable en un país y no lo sea en otro gracias a este tipo de
ayudas.
Bajo este criterio resulta imposible establecer una clasificación. De nuevo la
inaccesibilidad a los datos, o la confidencialidad de estos no permite disponer de la
información necesaria de cada una de las tecnologías para establecer una comparación.
Viabilidad económica y credibilidad
• Posibilidad de reducción de costes
Pese a que en la actualidad una tecnología no sea viable, un mayor desarrollo de la
misma puede hacer que disminuyan los costes y pase a serlo. Es necesario realizar un
análisis exhaustivo de los diferentes campos donde se puede mejorar y el grado de
mejora que es posible alcanzar para poder evaluar de forma adecuada si existe la
posibilidad de reducción de costes. En este caso ese análisis está basado en las
posibilidades de desarrollo de la tecnología en función de su madurez actual.
En relación a ese potencial de mejora en la reducción de gastos se ha establecido la
clasificación de la
Tabla 32.
Línea de Negocio Energías del Mar
115
INABENSA
Tabla 32.- Comparación de las tecnologías por su potencial en la reducción de costes
Pos
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Tecnología
Snapper
Manta–Sea Ray
Novel Air-cored Typology
Hybrid Trans/Long Flux
Seabased
Trident Energy
AWS
C-Gen
L-10
Neptune
CFTS
SeaHeart
Generador
Lineal
Rotativo
Lineal
Lineal
Lineal
Lineal
Lineal
Rotativo
Lineal
Rotativo
Rotativo
Rotativo
Nivel
3
2
2
2
2
2
2
2
1
1
1
1
1 Sin potencial de reducción
2 Posible potencial de reducción
3 Claro potencial de reducción de costes
En este apartado cabe destacar que la inmadurez tecnológica pueda ser, bajo este
criterio, una ventaja. Podemos observar como existe una tendencia de generadores
lineales que, aunque en estados todavía más prematuros, pueden presentar grandes
posibilidades de reducir los costes de su tecnología. En el caso del snapper mediante el
aumento de la potencia por unidad de dispositivo, en el del generador Novel Air-cored
Typology mediante la reducción de material activo (cobre) y en el caso más extremo el
generador híbrido, eliminando totalmente los imanes permanentes del rotor lineal
[Vining, 2010].
• Capacidad de instalación en diversas zonas del mundo
Algunas tecnologías están diseñadas para unos parámetros de olas determinados. Otras
tecnologías pueden adaptarse utilizando mecanismos de control.
Una vez más, en este apartado incluimos únicamente aquellas tecnologías que incluyen
ya la implementación en un dispositivo, pues es realmente de este de quien dependen
las posibilidades de trabajar en diferentes ubicaciones.
En función de dicha capacidad de adaptación a diversos climas de oleajes establecemos
la clasificación de la Tabla 33
Tabla 33.-Comparación de tecnologías por su capacidad de adaptación
Pos
1
2
3
Tecnología
Manta–Sea Ray
SeaHeart
Neptune
Línea de Negocio Energías del Mar
Generador
Rotativo
Rotativo
Rotativo
Nivel
3
2
2
116
INABENSA
4
5
6
7
Trident Energy
AWS
L-10
Seabased
Lineal
Lineal
Lineal
Lineal
2
2
1
1
1.-No adaptable
2.-Adaptable
3.-Altamente flexible
Como se ha indicado antes, esta característica es más dependiente del diseño del
dispositivo en el que se encuentre implementado el generador que del propio
generador. Aunque podemos observar una mayor adaptabilidad de los conceptos
montados con generadores eléctricos rotativos, esto es debido a que para su diseño las
características del oleaje predominante no tienen la importancia que tienen en el caso
del lineal, en el cual determina por completo parámetros como la carrera del rotor lineal
o la superficie activa en el entrehierro.
• Operaciones de instalación y mantenimiento
Estos dos factores son críticos en el caso de los dispositivos offshore, ya que para ambas
se depende de las condiciones climatológicas. Es necesario diseñar los dispositivos de
modo que sean fácilmente accesibles y que se realicen las tareas de mantenimiento en el
menor tiempo posible. Los costes de mantenimiento suponen un porcentaje muy
importante de los costes de producción.
Quizás este no sea la rama más desarrollada en el campo de la tecnología undimotriz,
pues para ello se requeriría de un conocimiento exhaustivo de la tecnología a implantar,
y todavía no existe una convergencia clara.
No obstante, la facilitación de las labores de instalación y la minimización del
mantenimiento son criterios tenidos en cuenta en las distintas fases de diseño. La Tabla
34 muestra una clasificación de nuevo de los conceptos que incluyen los dispositivos de
absorción.
Tabla 34.-Clasificación de la tecnología por sus labores de instalación y mantenimiento
Pos
1
2
3
4
5
6
7
Tecnología
Manta–Sea Ray
Neptune
L-10
Trident Energy
SeaHeart
AWS
Seabased
Generador
Rotativo
Rotativo
Lineal
Lineal
Rotativo
Lineal
Lineal
Nivel
3
2
1
2
2
2
1
1 Sin estrategia definida/ Falta de información o de credibilidad
2 Estrategia con graves lagunas
3 Estrategia con lagunas
4 Estrategia clara de coste medio
5 Estrategia clara de bajo coste
Línea de Negocio Energías del Mar
117
INABENSA
Observamos como para establecer las labores de instalación y la accesibilidad al
mantenimiento las mejores características las presentan aquellos dispositivos que
trabajan de manera flotante en la superficie. Algo más compleja resultan las labores
para la instalación del Trident Energy, de plataforma flotante, donde las condiciones
climáticas del momento de su instalación cobran una importancia aun mayor.
No obstante la configuración de dispositivos con las labores de instalación y accesibilidad
al mantenimiento más compleja son los que trabajan sumergidos, debido a las labores
extras a realizar en la fase de hundimiento y las necesidad de un equipo altamente
cualificado para realizar las labores de inspección y mantenimiento.
• Selección final
Como hemos podido ir observando a lo largo de los distintos parámetros analizados
existen dos tecnologías con características sobresalientes al resto. Estos son los
dispositivos AWS y Manta-SeaRay.
Sus principales características ventajosas son su alta capacidad de producción y sus
contrastadas posibilidades de supervivencia ante temporales. No obstante, el dispositivo
AWS presenta dos puntos débiles respecto al Manta-SeaRay. El primero es que al ser un
dispositivo sumergido complica considerablemente las labores de mantenimiento. Y el
segundo es, que como ya se comentó anteriormente, en su última evolución el
dispositivo AWS cambió su sistema de generación a un circuito hidráulico, abandonando
por tanto el concepto de generación lineal de accionamiento directo.
Por tanto, bajo criterio del autor, la tecnología más adecuada para la instalación y
puesta en marcha de una planta de generación de energía de las olas es el dispositivo
Manta-SeaRay con generador eléctrico rotativo. Este dispositivo ha superado uno de los
principales retos de la tecnología undimotriz como es la supervivencia y además
presenta importantes características como su simplicidad y robustez. Sus posibilidades
en conseguir un coste de la energía reducido gracias a la madurez de su sistema de
conversión y la alta potencia unitaria por dispositivo.
Línea de Negocio Energías del Mar
118