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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 rodamientos.

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.

Seguidamente os muestro unos diseños conceptuales realizados con la ayuda de OpenSCAD. Donde se muestra una trubina eòlica tipo panemona con estator para concentración del flujo de aire.




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


Simulación del Estator.

En estre apartado podéis apreciar una simulación de los efectos que producirá la instalación del 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....



Con el Interactive Flow Illustrator podemos ver:



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, con sólo 4 palas, para poder observar mejor cómo funciona. 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.