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Aerogenerador de Eje Vertical.


Introducción.

En esta página intentaremos aprender sobre la energía eólica, es decir la energía proporcionada por el viento, con la intención de diseñar y construir un aerogenerador que produzca electricidad para nuestra casa. Empezaremos por nombrar un par de leyes de física relacionadas con la energía eólica, analizaremos brevemente el uso de motores de imanes permanentes como generadores, y echaremos un vistazo a unos aregeneradores especialmente interesantes, ya que disponen de una serie de características, que los hace un poco especiales.

Cálculos Teóricos.

La Potencia Eólica es la potencia en Watios que puede proporcionar el viento, y que podemos calcular utilizando la siguiente expresión matemática:


Pe = 1/2 * rho * Area * Vv^3


Donde:

Pe = Potencia Eólica en Watios.

rho = Densidad del Aire en Kg/m3.

Area = Superficie frontal del aerogenerador en m2.

Vv = Velocidad del Viento en m/s.


En la siguiente gráfica podéis apreciar la potencia que puede proporcionar el viento a diferentes velocidades, considerando un área de 1m2, que sería el área correspondiente a un aerogenerador de eje vertical con rotor de 1 m de diámetro y 1 m de altura. También podéis observar las potencias de la turbina suponiendo que:

  • El rendimiento del estator es del 90%.
  • El rendimiento de la turbina es del 90%.
  • El rendimiento del Generador es del 90%.

Potencia Eólica .gif

Ahora veamos que ocurre si utilizamos un stator de las dimienstions del tejado de nuestra casa, y instalamos un sistema de limitación de flujo de entrada de aire en el estator. En estos cálculos supondremos que en tejado de nuestra casa tenemos espacio suficiente para instalar un aerogenerdor con un stator de 6 m de diámetro. Aunque no tiene porqué ser redondo, puede ser cuadrado o rectangular. La altura del stator la mantenemos en 1 m y el diámetro del rotor, también lo mantenemos a 0,5 m.

En la siguente gráfica, podeis apreciar la potencia eólica regulada transmitida al interior del estator y la potencia de salida del generador.

En la segunda gráfica, podeix apreciar el factor de regulación aplicado para limita la potencia eólica aplicada a la turbina. El valor de 1 corresponde al estado de no limitación por baja velocidad del viento, el valor 0 correspondería a una limitación total, es decir, la entrada de aire del estator totalmente cerrada.


Potencia Eólica con Regulación.gif

La idea de limitar el flujo de aire que entra en el estator permite el funcionamiento del areogenerador cuando tenemos mucho viento, en lugar de frenarlo como se hace normalmente.

Por otra parte, este tipo de regulación también permirá detener el aerogenerador cuando tenemos las baterías totalmente cargadas, evitando un desgaste innecesario de rodamiento.

Un estator de grandes dimensiones, todo el espacio disponible en el tejado de una casa, permitirá el funcionamiento del aerogenerador a velocidades de viento muy reducidas, donde los demás areogenerador no proporcianan energía.

El regulador de entrada de aire al estator permitiá el funcionarmiento del aerogenerador a velociades de viento elevadas, donde los aerogeneradores clásiscos tienen que detenerse para evitar daños.

Combinando estas dos ideas, podemos obtener un sencillo aerogenerador de bajo coste y mantenimiento operativo en amplio rango de velocidades de viento.

Diseño Turbina Eólica.

Se ha escogido la turbina tipo Panémoma de eje vertical, por ser el modelo más sencillo de turbina para aerogeneradores y por tanto el de mayor facilidad y economía de construcción. Turbina que utilizaremos para propulsar un generador especialmente diseñado para aerogeneradores. También podemos utilizar motores de imánes permanentes como generadores. Aunque por otra parte, también tenemos la opción de construir nuestro propio generador integrado en la turbina.

Aquí teneis una propuesta de turbina eólica pensada para ser construida con herramientas disponibles en la mayoría de ferreterías, como son taladro, una sierra circular que permita cortar metales y una corona para metales, que permita realizar los agujeros en las plancha para los tubos metálicos o de PVC, que previamente habremos cortado por la mitad.

La idea consiste en cortar los tubos de aluminio por la mitad con una sierra circular para metales fijada en una mesa, y utlizar la misma sierra circular para metales, ( sin la mesa, pero con una guía para segurar el corte recto ) para cortar las planchas de metal. Realizando un par de cortes en cada esquina, podemos convertir fácilmente una plancha de metal cuadrada en un polígono de 12 lados.

Con la ayuda de unas sierra de corona para metales, unas brocas y un taladro, realizaremos las perforaciones necesarias para los tubos, y los tornillos de sujeción de las planchas al generador.

Las planchas se fijarán directamente en el cuerpo del generador, que en este caso, es el modelo 1100 de Renewable Components. Como podéis ver, se colocarán una en la parte de arriba del generador y la otra en la parte de abajo.

El generador va fijado a un mastil mediante el tubo inferior, por el que salen los cables del bobinado, y que al mismo tiempo actua de eje de rotació para el tambor que contiene los imanes permanetes.



Unos diseños conceptuales realizados con la ayuda de OpenSCAD.




Regulación de potencia de entrada al AeroGenerador de Eje Vertical mediante Estator Ajustable.


Simulación de un Estator.

En estre apartado podéis apreciar una simulación de los efectos que producirá la instalación de un estator para direccionar el flujo de aire en nuestro aerogenerador.

Esta es una segunda simulación realizada con el software libre OpenLB (OpenLatticeBoltzmann), mejor dicho es mi primer intento de simulación, ya que tengo un lio entre las unidades física y las unidades Lattice, que espero poder resolver algún día de estos.

Si estás interesado en esta simulación te puedo enviar el código fuente para OpenLB, para revisarlo, corregirlo, mejorarlo y hacer con él lo que consideres oportuno.

Dicho código se encarga de definir el stator parametrizado, con diferentes dimensiones, número de palas, etc....



Para los usuarios de Python y el Interactive Flow Illustrator, he creado un sencillo programa en Python que crea un fichero BMP para el Interactive Flow Illustrator. Este pequeño programita vawt.py, dibuja las palas del estator a partir de unos parametros, que podeis ajustar a vuestro gusto.



En el siguiente video podeis ver como crear un sencillo mecanismo para el ajuste de la apertura de las palas de un estator para un Aerogenerador de Eje Vertical. Este video lo he creado utilizando RecordMyDescktop en Ubuntu, y la creación de croquis (sketch) en FreeCAD.



Construcción de Prototipos.

En esta sección on presentaré algunos de los prototipos de AeroGeneradores que voy construyendo.

De momento, aquí teneis el primero, un poco improvisado, como el tunel de viento utilizado para hacerlo girar. Pero ha servido para comprobar y ajustar el mecanismo de ajuste de las palas del estator. Está fabricado con cartón y palillos para comida china.

Ahora que ya tengo una idea de cómo hay que hacerlo, es momento de ponerse a buscar materiales más robustos, cómo la madera contrachapada, varillas roscadas, etc... y a programar el cnc para construir un modelo más robusto y que funcione mejor.



Seguidamente on presento el segundo prototipo. Más fino, estable y robusto que el anterior, con piezas fabricadas mediante fresadora CNC casera.



El siguiente video muestra el tercer prototipo, que ya incorpora un plato magnético en la base de la turbina y un pequeño bobinado en la base del estator, que nos permite apreciar los efectos de la apertura y cierre del estator. Comprobando que un estator ajustable permite reducir la tensión de salida del generador cuando ésta se considere demasiado elevada los días de viento excesivo. Permitiendo mantener el aerogenerador en funcionamiento, sin que sufra daños mecánicos, eléctricos y/o electrónicos.





Más adelante le añadiremos el regulador de carga ( MPPT ), y lo que convenga, vayamos por pasos. Aunque de momento hay que conseguir más tensión y más potencia, pero bueno ya tengo una referencia funcional.

En la medida que el tiempo y el presupuesto lo permitan actualizaré esta sección, os invito a visitarla periódicamente.

Uso de Motores de Imán Permanente como Generadores.

Lo más fácil, sería adquirir un generador diseñado para aerogeneradores, de los cuales podemos encontrar de 1 kW por unos 250 Euros, de 2200 W por unos 500 Euros, y desde 1.9 kW por unos 650 Euros, incluso de 32 kW por unos 2200 Euros, aunque estos últimos están diseñados para trabajar a mayores revoluciones.

Como alternativa, podemos utilizar motores de corriente contínµa sin escobillas, ( Brushless DC Motors ). Estos motores se pueden utilizar directamente como generadores trifásicos, ya que cuentan con 3 bobinados, que generalmente estrán conectador en triángulo. Estos motores sin escobillas, o brushless, los podemos encontrar en potencias inferiores a las de lo generadores y por tanto más económicos y prácticos para experimentas con pequeños aerogeneradores caseros.

Por ejemplo, para estudiar el comportamiento de los generadores de imanes permanentes a diferentes velocidades, podemos acoplar nuestro "generador" a un pequeño motor de corriente continua que podemos accionar mediante unas pilas recargables o mediante una simple fuente de alimentacióm. Esto también nos permitirá experimentar con reguladores de tensión de carga a diferentes velocidades de rotación.

Selección del motor:

  • Tensión nominal. A mayor tensió de funcionamiento como motor, mayor tensión nos proporcionará su salida funcionando como generador.
  • Corriente Nominal. A mayor corriente nominal, mayor diàmetro del hilo de cobre en su bobinado, y por tanto menos pérdidas en su resistencia interna.

Modificaciones. Para mejorar el rendimiento de nuestro aerogenerador, podemos cambiar el bobinado por uno que nos permita obtener las tensiones deseadas para nuestras condiciones de trabajo. Pero antes deberíamos estudiar su comportamiento sin modificar nada.

Un buen modo de familiarizarse con el funcionamiento como generador de electricidad de un motor, es mediante la construcció de un sencillo generador manual, es decir, accionado mediante una manivela, o mejor, por otro motor. Con esto podremos hacernos un idea de las revoluciones por minuto que necesitamos para obtener la tensión salida deseada para nuestra aplicación y decidir el uso de una caja multiplicadora y de un convertidor DC-DC para ajustar la tensión de salida de nuestro generador a la apliación a la que va destinado, y nos servirá de referencia en el caso de decidir modificar el bobinado, incrementando o reduciendo el número de espiras.

Por ejemplo: Con un motor de pasos de 12'5 W y un ángulo de paso de 7'5º, al que le he acoplado directamente al eje una manivela de un taladro manual, he obtenido fácilmente 4'5 Voltios RMS, a una frecuencia de 40 Hz, en una de sus 4 bobinas. Con lo que podríamos obtener unos 9 V en contínµa con el correspondiente rectificado y filtrado, de las tensiones de salidas de sus 4 fases, o 2x2, según como se mire.

Si deseamos más tensión de salida, y por tanto más potencia, situaremos una caja multiplicadora de velocidad entre la manivela y nuestro generador, que proporcione mayores revoluciones por minuto al generador.

Después de jugar un poco, ya tendremos una idea de las revoluciones por minuto que necesitamos para obtener para la tensión de salida deseada. Ahora, ya podemos empezar a experimentar con diseños de turbinas eólicas, y buscar un modelo con las dimensiones adecuadas que nos porporcione más o menos, las revoluciones por minuto que necesitamos para nuestro generador.

En el momento de seleccionar un motor sin escobillas, o BLDCMotor, para nuestro aerogenerador podemos determinar las características principales aproximadas del funcionamiento como generador a partir de las características principales del funcionamiento como motor que nos proporciona el fabricante. Es decir, si el fabricante del motor nos ofrece un motor de 24 V, 4000 rpms sin carga, podemos deducir, que funcionando como generador, a 4000 rpms proporcionará algo menos de 24 V, unos 21 V aproximadamente.


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