1
Índice Introducción Capítulo 1: 1 : Un Recurso Ventoso El viento El costo ecológico Cuanta energía puedes esperar A donde va la energía Diseños básicos • • • • •
Capítulo 2: 2 : Seguridad Seguridad Eléctrica Protección contra incendios Protección contra descargas Riesgos en Baterías Otras Responsabilidades Responsabilidades • • • • •
Capítulo 3: 3 : El Diseño del Rotor Ley de Betz Empuje y Resistencia Diseño del Aspa Conclusiones • • •
•
Capítulo 4: 4 : Construyendo las Aspas Una Advertencia Peso del Aspa Materiales del Aspa Como hacer las aspas Pintando y balanceando las aspas • • • • •
Capítulo 5: 5 : Generadores Que buscar Como trabajan los generadores Cambiando la velocidad de los generadores Tipos de Generadores Motores usados como generadores Construyendo un alternador magnético de la nada Tips de diseño • • • • • • •
Capítulo 6: 6 : Controles mecánicos mecánicos Mirando al viento Evitando la sobrecarga Alejándonos del viento Apagando el sistema • • • •
Capítulo 7: 7 : Controles eléctricos
2
• • •
Control de carga Sistema de calentamiento Las baterías
Capítulo 8: 8 : La Torre Tipos de Torres Que tan fuerte es suficiente Levantando la torre Materiales Ancho Tips de Seguridad • • • • • •
Capítulo 9: 9 : Ecuaciones de Energía Eólica
3
Introducción La energía eólica es la opción. Es una de esas cosas multifacéticas que pueden servir a todo tipo de gente y de muchas maneras diferentes, es una energía gratis, sin costos ambientales, y sin mencionar la gran gama de oportunidades para los emprendedores. Aunque el viento es una de las formas más antiguas de energía mecánica, sufrió una especie de retroceso desde principios del siglo pasado cuando los combustibles fósiles entraron en el mapa y bajaros los precios de la energía. Pero en tiempos recientes en donde nos hemos dado cuenta el tremendo impacto negativo que tiene el generar energía a partir de los combustibles fósiles, la energía eólica esta de regreso, en especial en grandes proyectos de las para-estatales. Un gran número de países están poniendo un gran esfuerzo en generar electricidad a partir de los aerogeneradores. Para nosotros los emprendedores y amantes del medio ambiente, la energía eólica es sin duda una muy buena manera de generar energía en casa.
4
Capitulo 1: Un R ecurso Ventoso Este curso ha sido escrito para aquellos que quieren construir su propio aerogenerador. La energía eólica es algo salvaje, y algo difícil de manejar. Capturar energía eólica es como montar un caballo salvaje. Muchas de las personas nuevas en el mundo de la energía eólica subestiman las dificultades. Investiga mucho sobre el tamaño de equipo necesario para producir la energía que necesitas. ¿Es un proyecto realista para ti? ¿Cuentas con un lugar en donde hacer las turbinas? ¿Cuentas con un lugar seguro para ubicar la turbina y que t rabaje de manera adecuada? Todas estas preguntas importantes que debes hacerte, y que con un poco de esmero podrás contestar que sí. Si tienes el tiempo, el taller para trabajar, el lugar donde instalar la turbina, y la pasión y las ganas suficientes, seguramente construir un aerogenerador será de gran utilidad y satisfacción. satisfacción. Espero que este curso te ayude a lograrlo. No hay nada gratis El viento es gratis, por lo que la gente llega a asumir que la energía eólica también lo será. Si esto fuera cierto, veríamos aerogeneradores por todos lados, pero obviamente no hay nada gratis. El viento es una fuente de energía muy difusa. Para producir suficientes suficientes cantidades de energía, los aerogeneradores deben de ser grandes, trabajar de una manera eficiente y deben de estar bien diseñados. Por lo que un buen sistema no será barato. Si construyes tu propio sistema puedes ahorrar gran parte de ese costo, pero a cambio darás mucho de tu tiempo. Depreciación Depreciación de Baterías La energía para pequeños sistemas de energía eléctrica eólica usando baterías no es competitivo en cuanto al costo comparado con comprar energía de la red eléctrica. El puro costo de las baterías es muy costoso. Las baterías duran alrededor de 7 años antes de dejar de servir. Se ha calculado que el costo de cambiar las baterías cada siete años es igual de costos como si hubieras comprado esa energía. Esta comparación nos muestra que no es viable el usar baterías con energía eólica en la ciudad. Por otro lado, en lugares remotos, el costo de instalar las líneas de transmisión de energía puede ser más costoso que instalar un sistema de energía eólica, por lo que en estos casos llega a ser más barato y confiable. Ahorrando dinero en los deshuesaderos y tiraderos Los lugares en donde se recicla metal y ese tipo de cosas pueden ser un excelente lugar para comprar materiales, mucho más barato que si lo compraras nuevo.
5
El costo ambiental Todas las fuentes de energía tienen su costo en el medio ambiente. La energía eólica es limpia y renovable, pero si tienes sus puntos malos: El Ruido Hay dos tipos de sonido que pueden presentarse: el sonido de las aspas y los sonidos mecánicos. El sonido de las aspas no es problema, ya que suena muy similar al viento por los árboles, generalmente es opacada por otros ot ros sonidos. Por su parte los sonidos mecánicos mecánicos se pueden presentar debido a la vibración o al zumbido del generador. Este tipo de sonidos puede volver locas a algunas personas, especialmente especialmente si las mantienen despiertas. Intrusión Visual La intrusión visual tiene generalmente generalmente más quejas que el sonido. No se porque pero a algunas personas les molesta mucho como se ven, es cuestión de hablar con los vecinos para no tener problemas. Cuanta energía puedes esperar Energía Instantánea de Salida en Watts Velocidad Velocid ad del Viento 2.2 m/s 4.5 m/s 10 m/s 20 m/s Diámetro del Aspa 1m 1 6 70 560 Diámetro del Aspa 2m 3 25 280 2,300 Diámetro del Aspa 3m 7 60 630 5,000 Diámetro del Aspa 4m 12 100 1,120 9,000 Esta tabla te da una idea de cuanta energía puede producir un aerogenerador. Asume un modesto coeficiente de 0.15. Por ejemplo. Un aerogenerador de 2 metros de diámetro a 10 m/s produce alrededor de 280 watts. La energía (en watts), es la taza de captación de energía en cualquier momento. La tabla de arriba te muestra cuanta energía puedes esperar esperar en un aerogenerador dependiendo del ancho de las aspas y de la velocidad del viento. La tabla asume que tu aerogenerador captura el 15% del total de viento bruto. El porcentaje de captura es conocido como el “coeficiente de poder” o CP, y después veremos porque es un porcentaje tan bajo del total. La energía en bruto depende de la densidad del aire (alrededor de 1.2 kg por centímetro cúbico), la velocidad del viento y el tamaño del rotor. La velocidad del viento es algo crítico (como podemos ver en la tabla de arriba). Vientos más fuertes tienen más masa de viento que pasa por el rotor por segundo, y la energía cinética por kilogramo de aire depende del cuadrado de su velocidad, por lo que la energía de salida se incrementa de manera exponencial con la velocidad del viento. El área cubierta por el aerogenerador depende del cuadrado de su diámetro. Es importante aclarar que cuando hablamos de rotor, nos estamos refiriendo a todo el aerogenerador en total, no hay que confundir con el generador. 6
Al final del curso vienen las ecuaciones del viento que puedes usar para calcular la potencia de salida de tu aerogenerador. Inclusive te recomiendo lo metas a Excel para que la computadora haga los cálculos por ti. Como te puedes dar cuenta, la energía del viento varía de gran manera. Hay pocos watts disponibles en una brisa de viento. No es fácil diseñar una máquina que pueda convertir esta cantidad de energía de una manera efectiva, pero todo se puede lograr. El viento cambia constantemente, y las fluctuaciones de energía pueden ser extremas. Necesitamos recolectarla cuando esta disponible, e inclusive almacenarla en periodos de calma, o usar otra fuente de energía como refuerzo. Una pequeña guía para predecir la captura de energía La energía capturada en un tiempo determinado es el promedio de energía multiplicado por las horas. Esto depende tanto del lugar en donde se encuentra como de la máquina en si. Condiciones del Sitio Árboles y Edificios Campos abiertos Tope de montañas y costas
Promedio de Velocidad del Viento 3 m/s (6mph) 4.5 m/s (10mph) 6 m/s (13mph)
La energía de salida promedio de un aerogenerador no es la misma que la energía de salida instantánea cuando la velocidad del viento es promedio. Pero no te preocupes, al final del curso hay ecuaciones que puedes usar. Promedio de Energía de Salida en Watts Velocidad promedio de Viento 3 m/s Diámetro de Aspa 1m 4 Diámetro de Aspa 2m 15 Diámetro de Aspa 3m 34 Diámetro de Aspa 4m 60
4.5 m /s 13 51 115 204
6 m/s 30 121 272 483
En la tabla de arriba podemos ver que una aerogenerador de 2 metros de diámetro da un promedio de energía de salida de 51 watts con velocidades de 4.5 m/s. Pero esto sólo es un promedio, el rango de salida oscila entre los 30 y 80 watts.
Como usar un aerogenerador El promedio de energía de salida tiene que ser igual al promedio de energía que el usuario necesita. Una persona promedio (en Latinoamérica) tiene un consumo promedio en casa de 100 watts en cualquier momento.
7
Por lo que en una familia de 5 personas, un promedio de energía de 500 watts es necesario. Obviamente estos son sólo promedios, y tienes que hacer un cálculo para tu situación en especial. Eficiencia ¿a dónde se va la energía? En las dos tablas de arriba asumimos que nuestro aerogenerador capturará el 15% de la energía del viento. En realidad, el coeficiente de energía depende de cuanta se pierde en cada paso de conservación de la energía. Inclusive alguna se pierde antes de que empiece el proceso. El Teorema de B etz Albert Betz (1926) es la persona que descubrió esto, por lo que su nombre siempre es usado a la hora de hablar de su teorema. Para poder extraer energía del viento, debemos reducir su velocidad. Para extraer toda la energía del viento deberíamos de pararlo por completo. Sin embargo esto haría que no hubiera viento en movimiento alrededor de nuestra turbina. El aire debe de poder escaparse con cierta velocidad, por lo que alguna energía cinética es perdida. De acuerdo a Betz, el mejor coeficiente de energía que podemos alcanzar es de 59.3%, pero en la práctica este porcentaje cae debido a otros factores descritos a continuación: Arrastre Las aspas del rotor convierten la energía del viento en energía de eje. Después discutiremos las ventajas de usar pocas y delgadas aspas, que rotarán más rápido, comparado con muchas aspas que rotarán más lento. Las aspas que se mueven muy rápido van a experimentar arrastre aerodinámico. El arrastre detiene a las aspas, perdiendo parte de la potencia que podrían estar atrapando del viento, por lo que debemos hacer las aspas tan aerodinámicas como podamos. Pero inclusive el mejor diseño de aspas perderá alrededor del 10% e la energía que pueden manejar. Las aspas hechas en casa pierden mucha más energía que el 10%. Fricción Mecánica También habrá perdida por fricción en los engranes, cepillos y todo dispositivo mecánico en el sistema. Esta perdida se incrementará muy poco conforme la velocidad del viento se incremente. Por lo tanto, cuando el aerogenerador esta trabajando muy duro, con vientos fuertes, las pérdidas por fricción sólo serán un pequeño porcentaje del total. Pero en vientos lentos, las pérdidas por fricción pueden hacer una gran diferencia, en especial con aerogeneradores pequeños. Si esto es significativo o no, depende de lo que tú esperes de tu aerogenerador. Si es tu única fuente de energía, va a ser crucial tener una buena eficiencia en vientos lentos, y deberás de llevar la energía de las aspas directamente al generador sin usar una caja de cambios. Los que usen su aerogenerador solamente como sistema de apoyo, en donde los vientos débiles son de poco uso, usar un generador con velocidades puede ser más conveniente.
8
Pérdidas por el Cobre La próxima etapa del proceso es generar la electricidad. Esto se lleva a cabo en bobinas. La corriente eléctrica sufre de su propia fricción que se traduce en el calentamiento de los cables. Esta fricción es proporcional a la resistencia de los cables de cobre que llevan la corriente (ver las ecuaciones del viento). Puedes reducir la resistencia, y por lo t anto las pérdidas por cobre, usando cables más gruesos. Esto hace que el generador sea más pesado y más caro, pero puede valer la pena. La resistencia de los cables de cobre se incrementa cuando se incrementa la temperatura. La pérdida en el cobre calienta la bobina, lo que incrementa la temperatura, lo que incrementa la resistencia y por lo tanto la pérdida de energía. Este círculo vicioso puede llegar hasta quemarse, en el peor de los casos, y definitivamente disminuirá la eficiencia de la máquina, por lo que es importante ver el bobinado del generador en el diseño general. Las pérdidas de cobre se incrementan con el cuadrado de la corriente. Las pérdidas por cobre son iguales a las pérdidas por fricción, a menos velocidad más perdida. Por último, cuando el cable de cobre es muy largo, se necesita que este sea más ancho. Si el costo de un cable ancho es ridículo, entonces hay que cambiar el voltaje del sistema. A mayor voltaje, menos corriente será necesaria para proporcionar la misma cantidad de energía. Altos voltajes significan menos pérdida en los cables. Un sistema de 12 volts pederá hasta 400 veces más energía que un sistema de 240 voltos, usando el mismo cable. Pérdidas de Hierro La mayoría de los generadores también sufre de pérdidas por el hierro, estas pérdidas son cubiertas en un capítulo posterior. Como se suman las pérdidas Cada parte del sistema pasa un porcentaje de la energía que recibe. Estos porcentajes se van sumando a los que siguen (ver imagen de abajo), para tener el total de coeficiente de energía. Es muy afortunado que la energía que usamos (la eólica) sea gratis.
9
Diseño Básico Para cualquier tamaño de rotor, es muy tentador usar un generador muy grande, para hacer uso de una gran energía con vientos fuertes. Pero también para un generador dado, es tentador usar un rotor muy grande, para obtener el máximo beneficio de los vientos débiles. Un generador grande con un rotor pequeño es una mala combinación, en especial si el generador es de una baja eficiencia. Un generador pequeño con un rotor grande alcanzará su mayor energía en vientos débiles, dando una fuente de energía más constante. Las desventajas de un rotor grande son las siguientes: • • •
Se necesita una torre más fuerte (capítulo 8) Trabaja a menos rpm (revoluciones por minuto) Requiere de un mayor control en vientos rápidos (capítulo 6)
Una regla común es el de usar un generador que alcance su máximo poder de salid de energía en velocidades de alrededor de 10 m/s. Es también muy importante hacer coincidir las rpm de estos dos componentes, por lo que es importante entender sus características de energía/velocidad. Relación de Velocidad en la Punta La velocidad en la punta de un aspa depende de las revoluciones por minuto (rpm), y el diámetro del rotor. Por ejemplo, la punta de un aspa en un rotor de un diámetro de dos metros a 500 rpm, viaja a una velocidad de alrededor de 52 m/s (más de 160 kilómetros por hora). Operar a velocidades de punta de más de 134 m/s o 480 kilómetros por hora es posible, pero se recomienda trabajar a velocidades de alrededor de 80 m/s.
10
La relación de velocidad en la punta es el número mágico que describe de manera más concisa el rotor de un aerogenerador. Un rotor no sólo tiene una velocidad de rotación dada. Su rpm óptimo depende de la velocidad del viento, el diámetro y la relación de velocidad en la punta. (Ver las ecuaciones del viento) El rotor de nuestro aerogenerador trabajará mejor a una relación de velocidad en la p unta en particular, pero inevitablemente tendrá que trabajar en un rango de velocidades amplio. El coeficiente de energía CP variará dependiendo de la velocidad en la punta, para un diseño de rotor en particular. Tendrá su mejor desempeño si la velocidad es según lo planeado, pero podrá trabajar de manera aceptable en un rango de velocidades.
La figura de arriba muestra el coeficiente de energía en un rotor diseñado para operar en una relación de velocidad de punta de 7. Una pequeña variación en las rpm o en la velocidad del viento no ocasionara mucha diferencia. Si las rpm son muy bajas, comparadas con el viento, entonces se detendrá. Si no hay carga en el rotor (tal vez porque un cable del circuito eléctrico se rompió), el rotor sobre girará hasta alcanzar un cierto punto, hasta que se haga tan ineficiente que no tendrá energía para girar más rápido. La mayoría de los aerogeneradores son muy ruidosos y alarmantes cuando se acerca esta velocidad. En el capítulo tres veremos más de cerca como diseñar el rotor para que funcione a una relación de velocidad de punta en particular. Características de un Generador El rotor acelerará hasta que la carga (el generador) absorba toda la energía que puede producir. Si el rotor y el generador están bien calibrados, esto sucederá en la relación de velocidad de la punta, y la mayor cantidad de energía será extraída del viento.
11
Los generadores también tienen su velocidad preferida de operación. Como veremos después, el voltaje producido por el generador varía con la velocidad de rotación. Tendrá que correr rápido. Si esta conectado a una batería, no saldrá energía hasta que el voltaje de salida del generador sea mayor que el voltaje de la batería. La velocidad del eje (rpm) por encima en donde el generador entrega corriente es conocida como la velocidad cut-in. La velocidad requerida para entregar la máxima energía de salida es conocida como velocidad nominal. Estas velocidades necesitan corresponder a las velocidades a las que el rotor le “gusta” girar, a una velocidad de viento correspondiente. Encontrando la mejor rpm Rpm para varias turbinas + Velocidad de Punta (VP) Energía Diámetro VP=4 VP=6 (watts) (metros) 10 0.4 2032 3047 4063 50 0.8 909 º363 1817 100 1.2 642 964 1285 250 1.9 406 609 813 500 2.7 287 431 575 1000 3.8 203 305 406 2000 5.3 144 215 287 5000 8.4 91 136 182
VP=8
VP=10 5079 2271 1606 1016 718 508 359 227
La tabla de arriba te da una guía para cuadrar velocidades con el generador. Escoge la energía que necesitas en la primera columna, esta es la salida nominal del generador (y por lo tanto del aerogenerador). La segunda columna sugiere un diámetro de rotor adecuado, basándonos en la hipótesis que tu CP es el 15% a una velocidad de 10 m/s. Las siguientes columnas dan números de la velocidad que requiere el generador en rpm, para cada una de las relaciones de velocidad en la punta. Supón que quieres 250 watts con una velocidad en la punta de 6. Si vemos la cuarta fila, en la segunda columna vemos que necesitamos un diámetro en el rotor de 1.9 metros. ¿a cuantas rpm debería de trabajar el generador?, en la cuarta columna vemos que a 609 rpm. Con esto desciframos uno de los mayores problemas con diseños de aerogeneradores pequeño. Es imposible encontrar generadores con velocidades nominales tan bajas. Los generadores trabajan mejor a altas rpm. Están diseñador para generalmente trabajar entre 1,500 y 3,000 rpm. Aquí hay varios caminos alrededor del problema, cada uno tiene sus pros y sus contras que se irán desenvolviendo a lo largo del curso: • • • •
La velocidad entre el rotor y el generador Usar una velocidad de punta muy alta Trabajar a velocidades de viento muy altas Modificar el generador para trabajar a menos velocidad 12
•
Construir un generador especial de baja velocidad.
También hay que tomar en cuenta la velocidad cut-in. Idealmente, las rpm cut-in deberían de ser a un tercio de las rpm nominal del generador. Mantener el rotor a su velocidad de punta de diseño, esto hará que la velocidad cut-in sea de de 3.3 m/s (asumiendo una velocidad nominal de 10 m/s. Si la velocidad cut-in es mayor a la mitad de las rpm nominal, se tendrán problemas en alcanzar estas rpm a velocidades bajas. Resumen La energía eólica es divertida pero no barata. Hay un precio que pagar; no sólo en dinero, sino en el tiempo y en el impacto que el aerogenerador tendrá en tus vecinos. Puedes usar las tablas en este capítulo para ver el tamaño de turbina que necesitas. Las tablas toman en cuenta las pérdidas tomando como referencia en coeficiente de energía de 15%. Hacer coincidir la velocidad del rotor y el generador puede traer problemas. Los rotores rápidos son ruidosos, los generadores lentos son pesados y pierden mucha energía.
13
Capitulo 2: Seguridad Para muchas personas, experimentar con aerogeneradores caseros es entrar en lo desconocido. Cuando estamos aprendiendo algo nuevo generalmente hay gente que nos advierte de la manera segura de hacerlo, pero como muy poca gente sabe sobre los aerogeneradores, esto trae una mayor responsabilidad hacia nosotros sobre la seguridad. Si conoces a alguien con experiencia no dudes en pedirle consejos. Pero al final la responsabilidad cae sobre ti, por lo que necesitas saber sobre los riesgos y la seguridad necesaria para construir tu propio aerogenerador. Seguridad Eléctrica Los suministros eléctricos presentad dos principales riesgos: fuego y descargas. Por lo que debes leer sobre las regulaciones de cableado en tu país para mantenerte fuera de riesgos. Protección contra fuego En el capítulo anterior hablamos sobre la pérdida de cobre, y como una corriente eléctrica pasando por un cable genera calor. Cuando un cable esta cargando mucha corriente eléctrica, puede llegar a calentarse tanto que derrita el recubrimiento de PVC y prenda en llamas el edificio.
14
Cortos Circuitos y Fusibles El exceso de corriente se puede deber a una sobrecarga, cuando demasiada energía esta siendo usada del circuito, o debido a un corto circuito. Un corto es el nombre dado a una falla en donde hay contacto entre dos cables del circuito (positivo y negativo o vivo y neutral). El circuito principal, o la batería, pueden dar corrientes muy altas de miles de amperes cuando existe un corto circuito. Cualquiera sea la causa, el exceso de corriente debe ser detenido para evitar un incendio. Todo circuito que viene de la fuente principal (generalmente el generador) debe de tener un “dispositivo de corte” que corta la corriente inmediatamente cuando hay exceso de corriente, o un fusible. Los fusibles son baratos de instalar pero cuesta remplazarlos cada vez que uno se quema. Otra opción son los Cortadores de circuito (MCB) en Miniatura que están ganando mucha popularidad. Estos son como switches y pueden ser usados para desconectar el circuito de manera manual. El calor producido depende del tamaño del cable. Si se usan diferentes tamaños de cable, cada circuito debe de considerarse de manera separada. El dispositivo de sobre corriente debe de ser capaz de cargar la corriente de manera natural que se espera en el circuito y debe de ser diseñado para que el cable de desconecte si hay sobrecarga o un corto circuito. Malas conexiones Los cables no son el único peligro de fuego en un sistema eléctrico. Una conexión corroída ocasionará una gran resistencia al flujo de la corriente antes de acabar por fallar completamente. Corriente normal pasando por esta resistencia se calentará, inclusive hasta el punto de quemar sus alrededores. Por lo tanto: Siempre monta las conexiones en materiales resistentes al fuego, no sobre madera. Prevé que la humedad afecte a las conexiones manteniéndolas limpias y secas •
•
Protección contra Descargas Una descarga eléctrica es una corriente a través del cuerpo. Esto sucede porque una persona toca dos objetos conductivos diferentes, entre los cuales hay un voltaje. Estas son algunas formas de protegerte contra el riesgo de una descarga. Usar voltajes extra bajos La manera más fácil de prevenir una descarga es usar muy bajos voltajes, como 12 o 24 voltios. Aún si una persona toca ambas terminales de la batería, no tendrá la sensación de una descarga, sólo pequeños toques. Los voltajes por debajo de 50 volts son llamados “voltajes extra bajos” (ELV). Si los mantenemos segregados de los circuitos de alto voltaje, estos son relativamente seguros. Una palabra de advertencia a cerca de los voltajes de baterías. La valuación de un sistema de energía eólica es nominal, no exacta. Si la batería se desconecta, y el aerogenerador esta girando rápido, habrá voltajes mucho más altos llegando del aerogenerador. También, existen aerogeneradores que usan transformadores y transmisiones de alto voltaje del generador a la caja de control, esto para minimizar las pérdidas por cableado. Es importante NUNCA asumir que el voltaje del aerogenerador es demasiado bajo como para darte tuna descarga.
15
Encierra, pon tierra y fusibles Si vas a usar voltajes de red, entonces es esencial tomar precauciones. La manera más segura de tratar los voltajes de red es seguir los estándares de voltaje de red comunes. Esto hará que otras personas entiendan más fácil tu sistema. Pero recuerda que en la práctica, tu sistema de energía eólica no se comportara como la red principal. Todos los conductores vivos deben de ir dentro de una caja, lejos de dedos curioso. Si vas a comprar cables de segunda mano debes de asegurarte que el aislamiento del cable no tenga daños. Peligros de Baterías Personalmente odio las baterías. Pero son la característica de un sistema independiente de energía eólica. Desearía que no necesitáramos baterías, pero son esenciales cuando la energía eólica es la fuente primaria de energía. Las baterías combinan diferentes y muchos peligros. Primero son muy pesadas, por lo que estarlas moviendo e instalarlas no es fácil. Segundo, están llenad del corrosivo ácido sulfúrico, peligroso tanto para tu ropa como tu piel. Es especialmente peligros en los ojos. Limpia los derrames con una solución alcalina, bicarbonato, por ejemplo. En el caso de contacto con la piel o los ojos, lava con abundante agua y lo más rápido posible después del contacto. Tercero, pueden ocasionar una terrible chispa que puede quemarte si hay un corto circuito, con una llave inglesa por ejemplo. Quítate toda la joyería cuando trabajes con baterías. Siempre instala un fusible para proteger el cableado. No permites que el dispositivo de sobre corriente toque la batería, porque se va a corroer. Por último, emiten gases explosivos, que pueden ser prendidos por una chispa, por lo que debes de mantener las baterías en un lugar ventilado. Una pequeña ventana en el punto más alto, es todo lo que necesitas, estos gases suben muy rápido. Pero hay que tener cuidado que no se generen chispas cerca de la ventana de escape de los gases. Las chispas son una fuente común de explosiones cerca de baterías. Deshazte de las baterías de una manera responsable. El ácido es tóxico, por lo que necesita ser reciclada, no tirada. Las personas que compran cosas usadas inclusive te pueden pagar por tu batería vieja. Otras responsabilidades Las aspas del molino giran a altas velocidades. Las aspas deben de estar lejos del paso o alcance de transeúntes y de niños. Cuando termines de armar tu primer rotor de aspas, no trates de probarlo sosteniéndolo en lo alto para ver como gira. Una vez que empiecen a girar no podrás pararlas. La fuerza giroscópica probablemente te vencerá y terminarás por soltarlas, lo que puede lastimarte o a las personas que estén cerca. Los ejes, las bandas y otro tipo de cosas móviles son muy peligrosas. Cuando estés experimentando con tu aerogenerador a nivel del suelo, trata de no usar ropa muy suelta y agarra tu cabello.
16
Trabajando en las alturas Trata de evitar a toda costa trabajar en las alturas, pero si debes hacerlo toma en cuenta lo siguiente: • • •
Que la torre este bien sujeta Amárrate mientras estas trabajando Que nadie en el suelo este cerca del área en la que estas trabajando, podrías tirar algo en su cabeza.
Nunca subas al menos que estés completamente seguro, relájate y asegúrate de haber tomado todas las precauciones posibles. La operación de levantamiento Aún cuando tú nunca dejes el suelo, la erección de la torre debe de hacerse con mucho cuidado. La situación más segura es cando la menor cantidad de gente está involucrada en la tarea, una sola persona debe de estar a cargo, y los demás seguir sus instrucciones, lo más lejos de la torre posible. Las operaciones de levantamiento deben ser lentas y seguras. Hay cosas que se sueltan y las torres se caen La seguridad es lo primero y lo último que se diseña en un sistema de energía eólica. Construye tu torre tan fuerte como para que nunca se caiga. Ponla en un lugar en donde si se llega a dar el caso que se cae, no haya gente regularmente por esa área. Este capítulo no es para que te deprimas, es para que evites los problemas y complicaciones a la hora de construir tu aerogenerador. Es mejor tomarse el tiempo antes que arrepentirse después.
17
Capitulo 3: El Diseño del Rotor Este capítulo se trata sobre el diseño de las aspas del rotor. Empezaremos con la teoría de cómo las aspas hacen su trabajo, y en el próximo capítulo abarcaremos la parte práctica de construir las aspas. IM PORTANTE: No te preocupes si no entiendes todos los térm inos y explicaciones, esta es sólo la t eoría y usamos m ucha ingeniería, con las tablas y algunos sencillos cálculos podrás construir tu aerogenerador. Betz M ejorado Hay una cantidad limitada de energía en el viento. Nosotros extraemos esa energía al desacelerarlo. De acuerdo a Betz (lo vimos en el capítulo 1), existe una óptima desaceleración del viento que extrae la mayor cantidad de energía, 59.3%. Más desaceleración simplemente desviaría al viento lejos del rotor. Las “fuerzas de freno” que desaceleran al viento son iguales a la fuerza de empuje que aplica el viento al rotor (la tercera ley de Newton). El truco esencial en el diseño de un rotor consiste en crear la fuerza de empuje que produzca la óptima desaceleración de Betz y no más. ¿Cuántas Aspas? Una decisión fundamental que hay que hacer a la hora de diseñar el rotor es el número de aspas a usar. Muchas personas piensan, de manera intuitiva, que más aspas producirán más energía. Si pensamos que cada aspa contribuye a la energía que el aerogenerador produce, esto suena bastante lógico. La falla en esta lógica radica en la suposición que hay más energía de la que hay. Si dos aspas es el número correcto, no hay razón para añadir una tercera.
18
Entonces ¿Por qué vemos aerogeneradores con muchas aspas, mientras que otros sólo tienen dos o tres? La respuesta radica en los diferentes trabajos que cada aerogenerador hace, que requieren diferentes velocidades de operación. Mientras más rápido se muevan las aspas a través del viento, es mayor la fuerza de empuje. De hecho la fuerza se incrementa al cuadrado de la velocidad de las aspas, así que el efecto de doblar las rpm del rotor significa que la fuerza se va a incrementar cuarto veces. Hay una fuerza óptima a desarrollar, para una máxima extracción de energía. Doblar la velocidad del rotor incrementa el efecto de cada aspa nen el viento por cuarto, por lo que sólo necesitamos una cuarta parte de las aspas.
19
Torque y velocidad La fuerza mecánica tiene dos ingredientes. Torque es la expresión técnica de la fuerza de giro. Las bombas requieren de un gran torque, en especial cuando arrancan después de estar inactivas. Los generadores requieren de mucha velocidad. Usan la misma cantidad de energía pero en diferentes maneras. La energía producida por el rotor es el producto de tanto el torque como las rpm (velocidad).
Velocidad de Punta 1 2 3 4 5-8 8-15
No. de Aspas 6-20 4-12 3-6 2-4 2-3 1-2
Funciones Bombas Lentas Bombas Rápidas Molino Alemán Generadores Lentos Generadores Lo más rápido posible
La tabla de arriba nos da las opciones típicas de velocidad de punta y el número de aspas para bombas y generadores. ¿Dos aspas o tres? La cantidad de aspas que usemos esta determinada por la velocidad en la punta con la que queramos operar. Pero por ejemplo, tres aspas delgadas tendrán un desempeño similar que 2 aspas gruesas. ¿Entonces que diferencia hace? Tres aspas vibran más que dos. Esto se debe en parte porque hay una diferencia de velocidad del viento entre las mitades de arriba y de abajo del área que cubre el aerogenerador, conocida como diferencia de viento (ver figura de abajo). La fuerza en la parte de abajo será menor a la fuerza que hay arriba. Cuando sólo hay dos aspas, esto lleva a una vibración constante. Los rotores con 3 aspas no sufren de este problema porque nunca hay dos aspas en el punto medio de arriba y de abajo, ya que están configuradas como un triángulo.
20
Otro tipo de bamboleo es cuando la turbina derrapa. Derrape es el término que se usa cuando la punta de la torre gira. Rotores de dos aspas causan mucho este problema. Considera el sujetar un objeto largo, como el palo de una escoba, que pasa cuando tratas de dar una vuelta brusca. Mira la figura de abajo.
21
Usando empuje y arrastre Es hora de ver un poco más de cerca como las aspas interactúan con el viento para producir fuerzas que hacen que la máquina gire. Un objeto que se encuentre con una ráfaga de viento sin duda será empujado. La fuerza del objeto posiblemente esta alineada con la corriente de aire, pero lo más seguro es que este sesgada. Objetos asimétricos crean fuerzas asimétricas. Para ayudarnos en nuestros cálculos, separaremos las fuerzas en dos componentes, actuando en diferentes direcciones, llamadas empuje y arrastre. El empuje esta transversal a la corriente Arrastre va paralelo a la corriente • •
Diferentes tipos de turbinas usan diferentes componentes de las fuerzas. Las turbinas más viejas que se conocen usaban un sistema de eje vertical, probablemente ideadas gracias al trabajo que hacían los animales al girar alrededor de un poste para mover algo. El eje era vertical. Las aspas eran simples pedazos de madera que capturaban el viento y hacían que el instrumento girará.
22
Una protección en forma de pared era usada en una parte del molino, de esta manera el viento empujaba el rotor. Adicionalmente las aspas estaban diseñadas para ceder cuando el viento venia de un lado, pero lo usaban cuando venia del otro. De cualquier manera, el punto es que era la fuerza de arrastre la que hacía que esta arcaica turbina se moviera. Las turbinas de este tipo son conocidas como máquinas de arrastre ya que trabajan gracias a la fuerza de arrastre. A parte de ser fáciles de entender, las máquinas de arrastre tienen pocas ventajas. La mitad del rotor no esta haciendo nada, inclusive esta deteniendo a la máquina, por lo que el coeficiente de energía es bajo. La velocidad también esta limitada, ya que la punta no puede viajar más rápido que el viento que la empuja. Las turbinas de hoy en día aprovechan las fuerzas de empuje, por lo que son llamadas máquinas de empuje. ¿Cuál fuerza es la que usa el aspa?
Imagina que estas en la punta del aspa de un aerogenerador moderno. Así te podrás imaginar el movimiento de la punta del aspa en el viento. Si el rotor se estuviera moviendo en un día calmado, sentirías un viento de cabeza a la misma velocidad que la velocidad del aspa. Cuando hay otro viento que viene de otra dirección, este se suma al viento de cabeza, creando un viento resultante en un ángulo. Esto se conoce como el viento relativo. No te preocupes, este tipo de turbinas es más difícil de entender, pero tiene grandes ventajas. La punta puede viajar más rápido que el viento. La mayor dificultad proviene de la fuerza de arrastre, que frena al aspa. Mientra más rápido esta vaya, más fuerza de arrastre es girada para frenarla. Para alcanzar un coeficiente de energía bueno, debemos de crear un empuje óptimo, y minimizar el arrastre.
23
Ayuda usar una figura aerodinámica, como una sección de ala. Como en la figura de abajo.
24
El ángulo de ataque es el ángulo entre la cuerda y la dirección del viento que pega. Existen gráficas en libros de texto que muestran como el empuje varía según el tipo de sección de ala y a diferentes ángulos de ataque. En la gráfica de arriba vemos el comportamiento de la sección de ala NACA 4412. Fíjate que el coeficiente de empuje se incrementa conforme el ángulo de ataque se incrementa, hasta que llega un punto en donde se “estanca”, es cuando la turbulencia empieza a aparecer. Una ala estancada tiene poco empuje y mucho arrastre. Los estudios en túneles de viento muestran como la relación de arrastre a empuje no es un factor constante, varía conforme la inclinación del ala. La mejor y más eficiente relación se da cuando el ángulo de ataque es de aproximadamente 4º. Los datos en la tabla de abajo son interesantes porque nos muestran que no hay una gran variación entre diferentes figuras, pero que si la hay en la relación de arrastre/empuje. Las secciones como la NACA tienen menos arrastre que las formas planas. Datos de Secciones Simples Sección Imagen
Relación Empuje/Arrastre 0.1
Ángulo “Alpha” 5º
Coeficiente Empuje C/ L 0.8
10% Curvatura
0.02
3º
1.25
Curvatura con tubo cóncavo Curvatura con tubo convexo NACA 4415
0.03
4º
1.1
0.2
14º
1.25
0.01
4º
0.8
Plana
25
Diseño del Aspa Al diseñar el aspa, especificamos la forma en cada una de una serie de estaciones a lo largo:
En cada estación los siguientes datos son datos: Radio Ángulo de Ajuste Cuerda Espesor • • • •
Radio
Esta es implemente la distancia desde el centro del rotor a la estación.
Ángulo de Ajuste Algunas veces llamada “inclinación”, el ángulo de ajuste (b) es en ángulo que hay entre la cuerda y el plano de rotación del rotor. Aquí esa el procedimiento para encontrar el ángulo óptimo: 1. Decide con que ángulo de ataque quieres operar (usualmente 4º) para una diferencia de empuje y arrastre mínimo. 2. Encuentra la dirección del viento relativo que pega en la parte principal del aspa en cada estación. Esto será la suma de dos velocidades: la velocidad del viento que pasa por el rotor, y el viento de cabeza causado por la misma rotación del rotor. Esto lo podemos llamar el ángulo alfa Δ. 3. El ángulo de ajuste es la diferencia entre el ángulo de flujo y el ángulo de ataque.
26
27
El ángulo de flujo (y por lo tanto en ángulo de ajuste) depende de que tan lejos te vayas en el aspa. Ver figura de arriba. Al principio del aspa el viento le pega al rotor casi de manera cuadrada, por lo que el ángulo de ajuste debe ser grande. En la punta, el viento de cabeza es mucho más grande, por lo que la dirección del viento relativo es rotada, y el ángulo de ajuste debe ser mucho menor. En la tabla de abajo se sugieren ángulos apropiados (en grados) para cinco estaciones del mismo tamaño y para cuatro velocidades de punta posibles. Ajustando los Ángulos (en una serie de estaciones asumiendo que alfa=4º) Ajustando los ángulos para las velocidades de punta Estación 4 6 8 10 1 36 25 19 14 2 19 11 8 5 3 11 6 4 2 4 8 4 2 1 5 5 2 1 0 Ancho del Aspa y la Cuerda El siguiente paso en el proceso de diseño del aspa es el especificar el ancho de la cuerda en cada estación a lo largo del aspa. Ancho de Cuerda como % del diámetro Velocidad de Punta 4 Número de Aspas 3 Estación 1 21.4 2 15.4 3 11.2 4 8.7 5 7.1
3 12.3 7.5 5.2 4.0 3.2
6
2 11.6 6.5 4.4 3.4 2.7
8
2 7.8 4.2 2.9 2.2 1.7
El ancho de cuerda se muestra como % del diámetro del rotor. La columna da opciones para velocidad de punta y el número de aspas, como se muestra en la figura de abajo. La estación 1 es la más cercana a la base, y la estación 5 la más cercana a la punta, por lo que el ancho de la cuerda va disminuyendo conforme se acerca a la punta. La tabla de arriba nos da ejemplos de anchos de cuerda para una selección de velocidades de punta. En esta caso, el número de aspas “B” lo escoges tu, y el ancho de la cuerda esta dado como porcentaje del diámetro.
28
10
Aspas sin Torsión El ancho de cuerda ideal (al igual que el ángulo de ajuste ideal) se va a los extremos al inicio del aspa. Sin embargo, sólo hay una pequeña pérdida de desempeño si usamos una aspa simple, rectangular (con lados paralelos) sin dobleces. El área de viento barrida por la parte interior del aspa es relativamente pequeña. Puedes usar el ángulo y cuerda especificados para la cuarta estación para toda el aspa. Entonces ¿por qué molestarnos en aspas torcidas y cónicas?, aquí hay tres buenas razones: La eficiencia se mejora un poco Las aspas cónicas con más resistentes. La mayor fuerza para doblarse se encuentra al inicio, por lo que es más difícil que se rompa en condiciones adversas, o como resultado de la fatiga • •
29
•
Las aspas cónicas son mejores a la hora de empezar a moverse. La parte más ancha al principio del aspa le da más torque.
El ancho del aspa Las secciones delgadas tienen una mejor relación de arrastre/empuje, por lo que deben ser usadas en donde sea posible. Cerca de la base, en done la relación de velocidad es baja, el arrastre y el empuje no son importantes, pero la fortaleza lo es, por lo que una sección más gruesa es apropiada. Si sólo se esta usando una sección para toda el aspa, entonces el diseño NACA 4425 (con un 15% de ancho en la cuerda) es una buena elección.
Contra y a favor del viento o eje vertical Hay muchas diferentes orientaciones que puede tener el rotor. La mayoría de los aerogeneradores son de eje horizontal, o HAWT por sus siglas en ingles (Horizontal Axis Wind Turbine). Dentro de las HAWT, están la variedad de a favor y contra el viento, esto depende si estan atrás o delante de la torre. Otro tipo de turbinas son las de eje vertical o VAWT (Vertical Axis Wind Turbine).
30
Las turbinas a favor del viento son generalmente flexibles en sus aspas (ver figura de arriba). El empuje del viento las empuja a favor de ese. El aspa adopta un ángulo de torsión particular, que depende de la fuerza del viento y la velocidad de rotación. El propósito de esto es remover el estrés por doblaje en el aspa. Al estar en la parte de atrás de la torre, al rotor le llega el aire movido por la torre. Este continuo movimiento puede hacer que el aspa se suelte desde sus raíces. Pero no le dedicaremos mucha atención ya que este tipo de diseño se usa poco. Máquinas de eje vertical Ya hablamos antes de una máquina de eje vertical, la que se inspiro en el ganado. Un diseño similar es usado hoy en día en los anemómetros (los instrumentos que miden la velocidad del viento), por su consistente velocidad en la punta. Pero como ya habíamos visto no es muy eficiente y es lenta.
31
Otro tipo de VAWT es el modelo Savonius, que es muy popular entre los entusiastas que construyen sus propios aerogeneradores. Tiene mucho torque inicial, pero tiene muy poca eficiencia, y es relativamente lento para generar electricidad. El máximo coeficiente de energía de modelo Savonius es de 15%, mientras que en un HAWT puede llevar hasta el 30%. Las VAWT que se basan en las fuerzas de empuje tienen que operar con una relación de arrastre/empuje muy baja. Para lograr esto, el ángulo de ataque tiene que ser pequeño. El rotor tiene que girar rápido, para que el viento de cabeza mantenga el ángulo de ataque por debajo del punto óptimo. Esto significa una velocidad de punta alta. Una velocidad de punta alta significa pocas y angostas aspas.
32
Fatiga y Estrés en VAW T de alta velocidad
Las delgadas y verticales aspas de las VAWT de alta velocidad están sujetas a efectos de flexión centrifuga y de empuje, ambas actúan de manera horizontal, ver imagen de arriba. El rotor en forma de H sufre de efectos de flexión en ambas fuerzas. En el rotor en forma de huevo, las fuerzas de flexión por la fuerza centrífuga son derrotadas al hacer el aspa curva, una curva catenaria. Esta es la misma forma que vemos en los cables de luz que van de poste a poste, de esta manera las fuerzas centrífugas sólo crean tensión, y no flexión. Sin embargo las fuerzas de empuje siguen afectando de manera horizontal al aspa. Esto impone grande cargas cíclicas a las aspas, lo que en consecuencia ocasiona fallas por fatiga. Por su parte, en las HAWT, las aspas también experimentan fuerzas de empuje horizontal, pero estas causan menos daños porque estas son constantes y no regresan constantemente. Los aerogeneradores muy grandes pueden llegar a tener problemas por estas fuerzas, pero los lectores de este curso no deben de estar preocupado por eso.
33
Rotores Envueltos
Es posible colocar una envoltura a un rotor, lo que causará un embudo con el viento hacia el rotor. Esto trae grandes ventajas, porque resulta en velocidades de viento más grandes, dando más energía y más rpm. En el papel parece una idea obviamente buena. Pero en la práctica, la construcción de una envoltura apropiada, que no se dañe en vientos fuertes es muy difícil.
34
Capitulo 4: Construyendo las Aspas En este capítulo explicamos como construir las aspas del rotor. Pero antes de empezar, asegúrate que la velocidad del diseño del roto sea el correcto para tu generador. La tabla de velocidades y dimensiones del primer capítulo te dirá el diámetro necesario para la energía que quieres generar. Algo recomendable es calcular tu rotor usando las ecuaciones que están al final del curso. Una palabra de advertencia Las aspas son el elemento que más sufre estrés en el aerogenerador. Si un aspa se rompe, podrá volar varios cientos de metros y podría causar daños y hasta lesiones. Si planeas ubicar tu aerogenerador dentro de 100 metros de espacios públicos, debes asegurarte al doble que las aspas son los suficientemente fuertes. Las fuerzas giroscópicas son el mayor peligro para los rotores pequeños en sitios turbulentos. Un rotor muy rápido, que enfrente vientos cambiantes, sufrirá de fuerzas giroscópicas que se alternarán hacia delante y hacía atrás, una por revolución. Al menos que las aspas estén perfectamente aseguradas, estas saldrán volando. El peso del Aspa Un rotor pesado tendrá más problemas para empezar a girar que uno liviano, pero una vez que ya este girando se parará con mayor dificultad. La inercia extra de un aspa pesada en realidad no consume energía, pero puede perjudicar la habilidad de empezar a girar en buenas rachas de viento. Las aspas pesadas sufren de peores fuerzas centrífugas y giroscópicas, por lo que hay poca ventaja en hacerle aspa más fuerte al hacerla más pesada. La relación de peso contra fuerza es muy importante. Para un estrés mínimo el aspa debería de ser ligera en la punta y fuerte en la base. Materiales para el Aspa La madera es probablemente la mejor opción a la hora de construir aerogeneradores caseros, porque es liviana, fuerte, trabajable y tiene buenas propiedades contra la fatiga. Metales (en especial el aluminio) es propenso a la fatiga. El acero es pesado. El plástico es una buena opción para hacer una turbina, de hecho la fibra de vidrio es comúnmente usada. Pero para ello necesitarías hacer un molde. Este capítulo se enfoca en hacer un aspa a partir de madera sólida. Es importante que escojas madera sólida, no un aglomerado o cosas por el estilo. Madera estilo triplay es la que buscamos.
35
Manufacturando las aspas Aquí hay una detallada descripción paso a paso del proceso para fabricar tres aspas para un rotor de 3 aspas con un diámetro de 2.3 metros, y una velocidad de punta de 5.5. Pero puedes adaptar la técnica para otra velocidad en la punta ajustando las dimensiones. Herramientas Necesitarás lo siguiente: Una sierra manual (una segueta puede servir), un cincel de madera, un cutter, un spokeshave, un compas, pinzas, una regla, una cinta métrica, un lápiz, una niveladora y un taraldro. Mantén tus herramientas bien afiladas. El ángulo del filo de la herramienta es muy importante. Materiales • • • •
3 piezas de madera, de 150 x 50 x 1150 mm. 2 discos de madera, 12 mm de espesor y 300 mm de diámetro Pernos para sujetar 48 tornillos para madera galvanizados de 40z4 mm
Paso 1 : Las Estaciones Marca las estaciones en las piezas de madera (figura de abajo), en espacios equidistantes de 230 mm. La parte de la izquierda es la parte que ira sujeta al rotor. La quinta estación es la punta.
36
37
Paso 2: Cortando el Aspa Resumen de Dimensiones Finales Estación Ancho 1 145 2 131 3 117 4 104 5 90
Declive 50 33 17 10 5
Espesor 25 20 18 15 11
Mide el ancho en milímetros usando la tabla de arriba, desde el lado que está más cerca de ti, y márcalo con puntos. Une los puntos con una línea. Trata de visualizar el aspa terminada. La punta se mueve en el sentido de las manecillas del reloj. Revisa el nivel en cada una de las estaciones, debe de ser plano. Paso 3: Tallando las inclinaciones
38
En la imagen de arriba vemos el aspa desde el otro lado de cómo la veíamos en la imagen del paso uno, el lado líder esta atrás y la punta esta a la izquierda. Marca un punto en cada línea, a cierta distancia de la cara frontal. Llamamos a esta distancia el “drop”, de la tabla del paso anterior. Este determina el ángulo para esa estación. Une los puntos para hacer la línea de guía del lado afilado del aspa. Talla la madera por encima de la línea del lápiz, el resultado final lo vemos en la parte C de la imagen de arriba. En la punta la línea de lápiz debe de subir de nuevo hacía la parte que no vamos a tallar a 100 mm de distancia. La raíz del asa no debe de ser cortada, para que podamos ensamblarla al hub. Paso 4 : Tallando el espesor Ahora ya tienes un pedazo de madera que parece aspa. El siguiente paso es remover madera de la parte posterior de la pieza hasta que alcancemos el espesor correcto. La última columna de la tabla del paso 2.
Ahora hay que dibujar dos líneas como vemos en la figura de arriba, que te guiarán para hacer los cortes y dejar el espesor adecuado. En esta parte podemos tener un error de hasta 0.5 mm en el espesor de cada estación. Realiza este paso con mucho cuidado, porque si te pasas demasiado del espesor de una determinada estación, esa pieza de madera se desperdiciará y tendrás que comenzar de nuevo. Es importante señalar que la punta no tiene que ser tallada o cortada, ya que necesitamos la máxima fuerza ahí, y ya vimos en el capítulo anterior que el no tener una parte afilada aquí no nos afecta mucho en la eficiencia del rotor.
39
Paso 5: Lijando las secciones
En este paso ya deberás tener un aspa con el espesor y el ángulo correcto. Lo que hay que hacer en este paso es redondear el aspa, como vemos en la figura de arriba. Es importante poner atención en no rebajar el espesor de las secciones. También debemos dejar toda el aspa lo más lisa que podamos con una lija. Hay que hacerlo con mucho cuidado para remover la menor cantidad de madera posible y respetar al máximo el espesor y ancho del aspa señalados en la tabla del paso 2. Paso 6: Ensamblando las aspas del rotor Asegúrate que el espesor sea el mismo en la base o raíz de todas las aspas. Reduce un poco algunas si es necesario. El espesor exacto no es necesario, siempre y cuando no rebajes en exceso una de las aspas y todas sean iguales.
40
Cada una de las aspas debe de ser cortada según la imagen que vemos arriba. Mide el centro exacto de cada una de las raíces de las aspas y dibuja líneas hacia bordes a un ángulo de 60º, márcalos por adelante y por atrás y corta. Ahora colocamos todas las aspas juntas encajando entre si (como en la imagen de abajo), y se sujetarán con los discos que cortamos antes, uno de cada lado. Marca con un lápiz cada una de las aspas a 152 mm de la punta (por delante y por detrás) para ayudarte a centrar los discos. Taladra 8 agujeros más o menos en la posición en que se ven en la imagen para sujetarlas a los discos. Otra forma de corroborar que hemos hecho de manera correcta el corte a 60º, es medir la distancia de punta a punta entre las 3 aspas y que estas coincidan, si no coinciden, pueve un poco las aspas dentro de los discos para que las 3 puntas estén a la misma distancia una de la otra. Podemos tener un error de hasta 5mm, pero si hay más diferencia entre las distancias el aerogenerador vibrará. Para pintar todo el rotor, será necesario desmantelar esto que hemos armado, por lo que es importante que marques cada una de las aspas y la posición de los discos con cada aspa para que no tengas problemas a la hora de armar el rotor de nuevo.
41
Pintando y Balanceando las Aspas
Altas velocidades de punta causan una rápida erosión en el material del aspa. Los lados principales del aspa necesitan tratamiento especial (figura de arriba), podemos reforzarla con cinta. Aplicar la cinta después de pintar. Puede ser desde cinta de aislar hasta esa cinta gris tejida industrial que tiene mucha resistencia y puede ser fácilmente remplazada. Pintado Imprima la madera con cuidado, y aplica varias capas de pintura. Rocía arena antes de poner la última capa. Balanceo Es esencial balancear las aspas con cuidado. El objetivo es asegurarnos que el centro de gravedad del rotor esta exactamente en el centro de este, y por coincidencia en el centro del eje. Esto se conoce como balance estático. El balanceo dinámico no es necesario, si te aseguraste que las puntas de las aspas estén equidistantes. 42
El balanceo se debe de hacer bajo techo, en un lugar con suficiente espacio, libre de corrientes de aire.
Aquí hay un método para hacer un balanceo estático. En un pedazo de madera sobrante clava un clavo del doble de largo que el espesor del pedazo de madera, de tal manera que la punta del clavo sobre salga del otro lado de la madera. Necesitas comprar un clavo grande, de al menos 100 mm de largo y de preferencia para concreto, ya que el clavo necesita soportar el peso de todo el rotor. Ahora coloca el centro del roto, en teoría el centro de los discos de madera, de donde agarrarás el eje del generador sobre la punta del clavo y fíjate hacía que lado se inclina el rotor. Añade peso al lado opuesto. Si la inclinación del rotor es poca, puedes colocar un poco de cinta en las otras dos puntas que no están cayendo hasta que el rotor se nivele. Con esto hemos completado el rotor de nuestro aerogenerador, posiblemente la parte más satisfactoria de construirlo, y es una tarea relativamente sencilla para alguien con herramientas simples, con paciencia y con entusiasmo. Recuera que el capítulo completo lo puedes leer en unos cuantos minutos pero que la realización del rotor te puede tomar muchas horas de construcción, no trates de hacerlo a la ligera, dedícale el tiempo que sea necesario para que te quede lo mejor posible.
43
Capitulo 5: Generadores La parte más difícil de diseñar un pequeño aerogenerador casero para producir electricidad es encontrar un generador apropiado. En este capítulo analizaremos varios puntos. Que Buscar Necesitas un aerogenerador confiable con buena eficiencia especialmente con vientos leves. Los alternadores de imanes permanentes califican en este tipo, y son por mucho la elección más popular en los diseños de aerogeneradores pequeños. Una máquina ya fabricada es la mejor opción, ya que no hay que construirlo desde cero. Si este se produce de manera masiva costará menos dinero e incluso podrás conseguir uno de segunda mano. Mientras más común sea, más fácil encontrarás repuestos. Tristemente, los aerogeneradores no se pueden usar tal cual se encuentran para un aerogenerador. En este capítulo nos enfocaremos en las posibles modificaciones que se le pueden hacer a un generador de baja velocidad existente. Frecuentemente puedes usar un motor como un generador, lo que nos amplia el panorama ampliamente. Algunos motores de corriente directa “DC” pueden ser usados sin modificaciones. Inclusive si construyes tu propio generador, puedes usar algunas piezas existentes que se producen en masa como punto de partida. Por ejemplo, las partes de los frenos de los coches pueden ser de mucha ayuda. Como trabajan los generadores
44
Imanes Los imanes tienen dos polos, el norte y el sur. El flujo emerge del polo norte y encuentra su camino de regreso al polo sur, como vemos en la imagen de arriba. Esto se llama un circuito magnético. Este flujo ama el acero, hierro y todo tipo de materiales magnéticos. No sólo el flujo los atrae, sino que la cantidad de flujo en el circuito magnético será mucho más grande si el circuito está hecho con estos materiales. Bobinas Los generadores también contienen bobinas de cables de cobre. Los cables e sobre están recubiertos de una película, quien aísla a cada cable de su vecino. Las bobinas se pueden encontrar en dos tipos: • •
Principales, o bobinas de salida, en donde la energía es generada Campo, o bobinas de excitación, quienes necesitan ser alimentadas por corriente, para poder crear un campo magnético en la máquina. Esto se conoce como “excitar” la máquina.
Los alternadores de imanes permanentes no necesitan de bobinas de campo, ya que están excitados permanentemente. Estator y Rotor
Los generadores tienen dos partes, una parte estacionara llamada “estator” y otra móvil llamada rotor. El estator es generalmente la parte de afuera, la que encapsula la máquina, mientras que el rotor es montado en un eje rotativo en el centro, ver figura de arriba. Aunque un arreglo opuesto es posible, y de hecho es bastante común en los aerogeneradores. El eje es arreglado, y la envoltura rota alrededor de él. Este arreglo es conocido como “envoltura impulsada”, opuesta al convencional “eje impulsado”. Si el aerogenerador no necesita caja de cambios, las aspas pueden ser sujetadas directamente al rotor.
45
Los generadores funcionan al hacer pasar imanes por bobinas, o bobinas por imanes, realmente no importa cual se mueva. Lo que importa es el movimiento relativo. Por lo tanto los imanes pueden estar en el rotor o en estator. También pueden estar adentro o afuera de la bobina. La ventaja de tener las bobinas en el estator, es que son fáciles de conectar. Cables del flujo
Los imanes y las bobinas en un generador están configuradas de tal manera que el flujo de los imanes pase a través de las bobinas, ver imagen de arriba. En otras palabras, el circuito magnético y el circuito eléctrico están enlazados uno con otro. En una posición del rotor, el flujo magnético a través de las bobinas es concentrado a través de la bobina en una dirección. Conforme el rotor se mueve, el flujo en la bobina disminuye hasta cero y se regresa completamente. El flujo recircúla en un ciclo sin fin, como las olas en el mar. Conforme las líneas del flujo cortan a través de los cables de la bobina, el voltaje es producido. Esto es conocido como inducción electromagnética. La primera figura de abajo muestra un alternador simple e dos poleas. El eje carga un imán que gira, arrastrando el flujo por las bobinas que están en el núcleo del estator.
46
La figura de abajo es una gráfica de cómo el voltaje de la bobina cambia con el tiempo, conforme el rotor del alternador regresa.
47
Pérdidas de Acero El hecho de que el flujo está cambiando en el núcleo contantemente afecta no sólo a las bobinas de alrededor, sino también al acero del mismo núcleo. Nosotros no queremos estos efectos secundarios en el núcleo, ya que desperdician energía. Esto es llamado, pérdidas de acero, y ocurren por dos razones. •
•
El acero está siendo magnetizado y des-magnetizado muy rápido. Este proceso consume energía. Aceros especiales que son magnetizados muy fácil ayudar a reducir la pérdida. El cambio de flujo tiende a producir corrientes circulantes en el acero, siguiendo cualquier camino conductivo que se encuentre alrededor de las líneas de flujo. Un núcleo construido con láminas delgadas, aisladas una de otra, puede ser usado para romper con cualquier camino de circuito, y por lo tanto reduciendo las pérdidas.
Máquinas Multi-Polos Hasta ahora hemos visto un rotor que funciona con sólo dos polos; norte y sur. Un imán tiene dos polos, pero puede haber muchos más polos en un generador. El número de polos siempre es par, porque nunca puede haber un polo norte sin un polo sur. La figura de abajo muestra un generador de cuatro polos.
48
Frecuencia Si tenemos dos polos, el voltaje completa un ciclo completo por cada revolución de la máquina. Si se tienen cuatro polos, se tendrán dos ciclos por cada revolución. El ritmo al que el voltaje alterna es conocido como frecuencia. La frecuencia también varía en proporción a la velocidad de rotación (ver las ecuaciones del viento). Si el voltaje llega a 50 ciclos por segundo, entonces la frecuencia es de 50 Herts (50 Hz). Fase La mayoría de los alternadores tienen más de una bobina de salida. En los alternadores de una fase, puedes conectar todas las bobinas juntas en el mismo circuito. Esto es posible porque los ciclos en el voltaje de salida de las bobinas están todos en sincronía con el otro. Técnicamente se dice que las bobinas están en “fase” una con la otra. Considera la figura de arriba, en donde hay cuatro polos y cuatro bobinas. Conforme el rotor gira, cada bobina tiene a un mismo polo al mismo tiempo. Puedes conectar todas estas bobinas juntas en serie, ver gráfica de abajo, de esta manera producimos más voltaje. También puedes conectar las bobinas en paralelo para incrementar la corriente.
En generadores en donde una bobina está viendo a un polo sur, y otra está viendo a un polo norte al mismo tiempo, simplemente hay que revertir la conexión de una bobina para que estas puedan trabajar juntas. Si estas abasteciendo a un número de circuitos, o si el suministro va a ser convertido a DC para cargar baterías, entonces es preferible usar un alternador de tres fases, con tres juegos de bobinas, todas produciendo corriente alterna AC con el mismo voltaje y frecuencia, pero fuera de paso. Las bobinas están distribuidas en el estator (o el rotor) de tal manera que los polos pasen una bobina después de la otra. La mayoría de los electricistas van a asociar las palabras “tres fases” a un suministro de 415 volts, pero es perfectamente posible tener otros voltajes.
49
La figura de arriba muestra un estator de cuatro polos desdoblados en un rectángulo plano, para que el plan de bovinas en una fase sea mejor entendido. La posición de los cuatro polos (en el rotor viendo a las bobinas) sea “N,S,N,S”, para destacar que las bobinas están en fase. En contraste, la figura de abajo, nos muestra el plan de bobinas en una máquina de tres fases. Hay seis bobinas, en tres pares, unidas con líneas delgadas. El primer par esta en fase el uno con el otro, así como el segundo par, pero su tiempo es un poco diferente, y de la misma manera el tercer par produce electricidad de manera independiente.
50
En la gráfica de abajo podemos ver el voltaje de las tres fases. Vemos que las tres dan el mismo voltaje a la misma frecuencia, pero está desfasados el uno del otro.
¿Porqué molestarnos? Te preguntarás. Ahora tenemos un total de seis cables saliendo de una misma máquina. Es un dolor de cabeza entender esto. Pero hay buenas razones para esto, como: •
•
•
En una máquina de una sola fase, todas las bobinas quieren estar en el mismo lugar, y hay grandes áreas sin usar. Una máquina de tres fases hace un mejor uso del espacio. Esto puede resultar en un aerogenerador más eficiente. Una máquina de una fase produce su energía por pulsos, mientras que una de tres fases lo hace de manera continua. Hay menos vibración. Por lo que se consigue tanto más energía como menos ruido. La corriente alterna de tres fases hace un mejor uso de los cables que tres dispositivos de una fase, quienes necesitarían tres veces la cantidad de cobre para hacer el mismo trabajo.
51
Conexiones Estrella y Delta
Es algo normal conectar los tres circuitos juntos. No podemos conectarlos en serie o paralelo por el desfase de tiempo, pero pueden compartir algunos cables en común. Hay dos opciones e conexión para las colas que se muestran en la figura de arriba. Voltaje El voltaje es el “empuje” que lleva la corriente alrededor del circuito. Los componentes de un sistema eléctrico tienen que estar diseñados para trabajar al mismo voltaje. Estamos acostumbrados a pensar en términos de electricidad teniendo un voltaje en particular. Pero no te das cuenta del increíble trabajo que se hace para mantener una constante en el voltaje de tu casa. El voltaje está determinado por el ritmo al cual los cables cortan el flujo. El voltaje puede ser incrementado por cualquiera de las siguientes razones: • • •
Velocidad de rotación Fuerza del flujo Número de vueltas por bobina
¿Pero a qué te refieres con voltaje? El voltaje no es una simple ventaja de corriente alterna que tenemos en casa, ya que está cambiando todo el tiempo, cae hasta cero, regresa, etc. Un voltímetro te puede dar una muy buena lectura.
52
Caída de Voltaje Interna Hasta ahora hemos asumido que el voltaje de salida de la máquina es un circuito abierto, así que no hay corriente que salga de la máquina. El voltaje de circuito abierto es también conocido como “fuerza electromotriz” (emf) del generador. Una vez que empiezas a sacer energía del generador, habrá una pérdida de voltaje. Considera un dínamo de 12 voltios. Conforme la velocidad del dínamo se incremente, también lo hace el voltaje, hasta que se alcanza la velocidad tope, por ejemplo, 1,200 rpm. Aquí es cuando el voltaje de circuito abierto es de 12 volts. A 2,000 rpm podría generar hasta 20 volts de circuito abierto. Pero cuando lo conectas a una batería de 12 volts, sólo produce 20 volts a la misma velocidad, mientras empuja 20 amps de corriente a través de la batería. La figura de abajo muestra una gráfica del voltaje y corriente contrala velocidad. En la vida real otros factores alterarán la situación, por ejemplo el cambio de flujo y el voltaje de la batería.
53
Suministros DC
54
La mayoría de la electricidad producida con un aerogenerador casero es usada para cargar baterías. Si el aerogenerador usa un alternador, la AC debe ser convertida a DC. Esto se hace por medio de semiconductores llamados “diodos” que actúan como válvulas de una sola vía para la corriente eléctrica. Un número de diodos son ensamblados en un “puente” como se muestra en la figura de arriba. Un puente de tres fases puedes ser construido con el mismo principio (lo veremos más adelante). Cada que la corriente pasa por un diodo se produce una pérdida de voltaje de aproximadamente 0.7 volts. Para cargar la batería, la corriente debe de pasar por dos diodos en el puente. Así que para cargar una batería de 12 volts, necesitamos un voltaje de salida de alrededor de 13.4 volts. Así, más del 10% de la energía es perdida en los diodos. Los puentes deben de ser montados en un “pozo de calor” (una pieza de aluminio con aletas) que removerá el calor perdido y prevendrá un incendio. La corriente empieza a fluir en pulsos en cuanto el voltaje máximo excede el voltaje de la batería y el voltaje de los diodos cae. Conforme el voltaje de entrada se incrementa, la corriente se vuelve más fuerte y estable, en especial en armados con tres fases. Escobilla y Anillos de Frotamiento
Ya vimos un alternador de magneto permanente con todas sus bobinas en el estator. La mayoría de los motores y generadores también tienen bobinas en el rotor. Para conectar estas bobinas a un circuito eléctrico externo, a los rotores se les instalan anillos de
55
frotamiento. Un anillo de frotamiento es una superficie suave de cobre, dentro de rotor. Los contactos deslizantes, llamados escobillas, son presionados contra los anillos Por ejemplo, la bobina de un alternador de coche esta en el rotor, ver figura de arriba. La corriente es alimentada a la bobina por medio de las escobillas y los anillos de frotamiento. La corriente también pasa por un regulador de circuito, que previene que el voltaje de salida exceda el máximo seguro para cargar la batería, sin importar la velocidad. Si se usan imanes permanentes, no hay necesidad de usar escobillas, pero no hay manera de controlar el voltaje de salida de esta manera. Las escobillas se desgastan, por lo que es recomendable un generador sin escobillas. Conmutadores
En viejos tiempos, antes de que los semiconductores que rectifican existieran, era muy difícil cargar baterías de la AC. Tenías que usar un generador DC especial, llamado dínamo. El cuerpo del dínamo (el estator) cargaba los campos magnéticos, ver figura de arriba). Dentro hay un rotor especial, llamado armadura, que tiene muchas bobinas y un conmutador. El truco para producir DC está en el conmutador y las escobillas que conectan la armadura de bobinas a un circuito de batería externo. El término conmutador significa literalmente un interruptor, y es exactamente lo que hace. La serie de bobinas en la armadura están conectadas a segmentos de cobre en el conmutador. Las escobillas están posicionadas cuidadosamente conforme los polos del campo de tal manera que siempre se conecten con las bobinas en una sola dirección. El resultado es que corriente directa sale de la máquina.
56
Los conmutadores también son usados en algunos motores, llamados motores DC, o motores universales. Cambiando la velocidad del generador La velocidad del generador es el problema más grande en el diseño de un aerogenerador. La mayoría de los generadores están diseñados para girar muy rápido para ser ensamblados directamente al rotor, pero hay algunos trucos que puedes usar para reducir la velocidad de operación. Ya hemos visto que el voltaje producido por una bobina depende de la velocidad, el flujo y el número de vueltas. Hay un límite máximo de cantidad de flujo. Así que al operarlos a menor velocidad, tenemos que, o trabajar con voltajes menores, cambiar la disposición de las bobinas de paralelo a en serie o usar más vueltas por bobina. Tristemente, todas estas opciones reducen el máximo nominal de energía de salida en watts, sin reducir la perdida por cobre. Por ejemplo, puedes operar un alternador de 24 volts a media velocidad, cargando una batería de 12 volts. Pero si la corriente es la misma, sólo obtendrás la mitad de la energía, porque la energía es voltaje por corriente. Las pérdidas por cobre, serán las mismas. Ahora las pérdidas por cobre serán el doble de la energía de salida, así que la eficiencia se ha visto afectada. Lo que queremos es mantener la misma eficiencia reduciendo la velocidad, entonces necesitamos cortar la corriente a la vez que el voltaje. La energía nominal es ahora reducida por el cuadrado de la reducción de la velocidad nominal. Por ejemplo, a la mitad de la velocidad obtendremos una cuarta parte de la potencia de la máquina. Este es el precio que hay que pagar al operar con velocidades bajas; necesitas un generador más grande en relación a la energía de salida. Realmente no importa que tan pesado sea el generador una vez que está instalado en lo alto, pero su eficiencia es crucial, así que en la mayoría de los casos el peso extra vale la pena. En el ejemplo de arriba cambiamos el voltaje para poder reducir la velocidad de operación. Podemos también cambiar el número de vueltas por bobina o el acomodo de estas, para restaurar el voltaje inicial, pero esto nos lleva a una resistencia interna mayor, y la corriente tiene que ser disminuida en el mismo factor, por lo que no incrementamos la energía de salida. La razón para hacer estos cambios es para mantener la compatibilidad con el voltaje de la batería mientras trabajamos con una velocidad menor, y menor energía. Si hay campos de bobinas, la pérdida constante en ellos será más significante conforme la energía nominal es reducida, por lo que no será conveniente modificar el generador para trabajar con menos velocidad de operación al menos que se tenga una buena eficiencia desde un principio. Tipos de Generado res Los generadores de alto voltaje no son cubiertos en este curso porque son raramente usados en aerogeneradores caseros.
57
Alternadores de Carro y Dínamos Los alternadores de coches son muy usados por los principiantes en la energía eólica. Son de gran disponibilidad, tienen una potencia correcta, y están diseñados para cargar baterías. Sin embargo no son lo ideal para un aerogenerador. Su carga es muy ineficiente, ya que necesitan de corriente en el campo de bobinas. Loa alternadores de los carros modernos son construidos para ser baratos, ligeros y para trabajar a grandes revoluciones. Los dínamos también necesitan de corriente pero pueden ser una buena opción para un aerogenerador, si puedes encontrar uno muy viejo. Esto puede parecer algo raro de decir, pero los dínamos antiguos fueron diseñados para trabajar a menor velocidad, con énfasis en la eficiencia más que en energía máxima. Para un aerogenerador de accionamiento directo necesitarás un dínamo pesado, más de 20 kg y 300 watts. Estamos hablando de equipo muy viejo, por lo que es difícil de encontrar. Hechos importantes de los dínamos y los alternadores. Los alternadores de carros y los dínamos son auto-excitados, lo que significa que sobre una velocidad dada, se cortan y excitan sus propios campos. En ambos casos, las bobinas están conectadas en paralelo. El corte sucede espontáneamente. Los imanes retienen un magnetismo restante débil, lo que produce voltajes bajos. Esto produce una corriente baja, lo que intensifica el campo existente y produce más corriente, así el voltaje crece. El voltaje máximo es alcanzado en alrededor de un segundo. Los alternadores no hacen el corte tan fácil. El campo de bobinas generalmente necesita poca corriente.
Por arriba de la velocidad de corte, el voltaje de salida del dínamo se incrementa conforme se incrementa la velocidad. El voltaje máximo se alcanza con una velocidad de viento realista, mientras que con los alternadores necesitas de 3 o 4 veces la velocidad del viento para alcanzar la velocidad de corte y obtener el voltaje máximo, ver figura de arriba.
58
Los alternadores de coche en realidad limitan su propia corriente, lo que significa que (si se enfrían de manera adecuada) son casi imposibles de sobrecargar, mientras que los dínamos si se pueden quemar si se empujan demasiado. Los rotores de alternadores también son capaces de sobrevivir a vientos fuertes, lo que destruiría la armadura de un dínamo. En un dínamo antiguo puedes montar un rotor de hasta tres metros de diámetro, mientras que en un alternador de coche esto es menos impresionante. No existe una diferencia esencial entre un dínamo y un motor eléctrico. La corriente fluirá de la batería al dínamo y volteará el aerogenerador durante la calma, al menos que se instale un diodo de bloqueo para evitar esta corriente invertida. Por su parte un alternado no puede ser usado como un motor, y la corriente de regreso es bloqueada por un rectificador. A los dinamos no loes importa cual terminal es positiva y cual negativa. El dínamo sabe cuál es su polaridad cuando es conectado a la batería. Los alternadores son severamente dañados cuando se conectan al revés. A los alternadores no les importa en que dirección los gires. Un dínamo sólo trabajará en una dirección, pero puedes cambiar la dirección de rotación si cambias la forma de conectarlos. Los dínamos son muy silenciosos de operar, mientras que la mayoría de los alternadores generan un zumbido. Trabajando con dinamos Los dínamos necesitan mantenimiento regular, en intervalos de aproximadamente un año. Esto incluye remover la armadura del cuerpo, limpiar el polvo de carbón, limpiar la superficie del conmutador y limpiar y engrasar los soportes. Las escobillas deben de poder moverse libres dentro de sus cajas, y la superficie del conmutador debe de estar completamente libre de grasa. Es un trabajo sucio y tedioso, pero muy necesario. Si el conmutador no está trabajando de manera correcta, el dínamo no se podrá auto excitar, por lo que el aerogenerador sobre girará. Puedes usar la velocidad nominal de 24 volts de un dínamo para cargar una batería de 12 volts. El campo de bobinas necesita ser re cableado en paralelo en vez de en serie para trabajar e manera correcta con un menor voltaje. La figura de abajo lo muestra.
59
Si eres lo suficientemente afortunado como para encontrar un dínamo de baja velocidad, ten cuidado en no sobrecargarlo. Altas corrientes te llevarán a que las escobillas se desgasten de manera apresurada. En el peor de los casos hasta la armadura se quemará. Trabajando con Alternadores de Coches
60
Si quieres buenos resultados es necesario que entiendas como esta conectado un alternador. La corriente del estator pasa a través del puente rectificador de tres fases, lo que la convierte en DC para cargar la batería. Hay una terminal grande en el alternador, que esa conectada al positivo de la batería. El negativo se conecta a tierra. Nunca conectes la batería al revés, porque destruirás el rectificador. Nunca hagas funcionar el alternador rápido sin tener conectada una batería, o el voltaje se incrementará hasta niveles peligroso, lo que también puede dañar el rectificador. El alternador de un coche requieres de un suministro de corriente hacía el campo de bobinas, por medio de las escobillas. Esta puede ser sacada de la batería, pero seguirá sacando energía de la batería cuando el motor (o el aerogenerador) sea parado. Para eso tenemos un rectificador especial, con nueve diodos, quienes proveen de un abastecimiento positivo del estator hacia el ampo de bobinas. Esta terminal rectificadora especial usualmente esta marcada “IND” para una conexión en el foco indicador. El foco sólo se prenderá cuando no haya voltaje disponible del alternador. Cuando genera, hay el mismo voltaje a cada lado del foco, por lo que no brillará. La mayoría de los alternadores de coches tienen un regulador interno, que controla el voltaje de salida. Esto no es bueno para usarse en un aerogenerador por lo que debe de ser removido. No puede sentir de manera fácil el voltaje de la batería, causando que se escape. Modificaciones a un alternador de coche Re cablea las bobinas del estator con más vueltas, para que pueda trabajar al mismo voltaje pero a menor velocidad. Estudia las bobinas existentes conforme las remueves. Tienes que darle más o menos el doble de vueltas de las que tiene. Ahora el alternador hará el corte a una velocidad aceptable para un rotor de 1.5 metros de diámetro, pero la energía de salida y la eficiencia se verán reducidas. También es posible modificar el rotor poniéndole imanes permanentes. La eficiencia y la simplicidad se verán incrementadas de esta manera, pero la energía de salida seguirá siendo menor. Alternadores de Imanes P ermanentes Los alternadores de imanes permanentes tienen características muy similares a los alternadores de coches, excepto que no tienen campos de bobinas. Son la mejor opción para un pequeño aerogenerador casero porque son más simples y más eficientes. Los imanes en el rotor no requieren no de escobillas ni anillos de frotamiento. No se necesita de corriente para excitar al campo, por lo que las pérdidas se reducen con vientos lentos. El problema es que son difíciles de encontrar, aquí hay algunas fuentes posibles:
61
•
•
Alternadores de bicicletas y motocicletas (baja energía nominal). Las de bicicletas son muy útiles para aerogeneradores muy pequeños, alrededor de 5 watts, porque tienen una velocidad de operación muy baja, y los alternadores de motocicleta trabajan a mayores rpm y no son tan fácilmente adaptables a la corriente directa. Fabricantes chinos de alternadores para pequeñas turbinas eólicas. Para aquellos adictos al internet esta puede ser una gran opción.
Motores usados como generadores Como mencionamos más arriba, los motores y los generadores trabajan de una manera muy similar, por lo que son frecuentemente intercambiables con pequeñas modificaciones. De hecho, los motores siempre generan voltaje cuando están girando. Este voltaje conocido como “emf inverso” es menor que el voltaje de suministro, por lo que el efecto continua siendo del suministro al motor. Conforme el motor acelera, el emf inverso se incrementa, la corriente de suministro cae, y el motor es regulado a una velocidad dictada por el voltaje de suministro. La diferencia entre motor y generador es simplemente cuestión de velocidad. Digamos que conectas un dínamo a una batería de 12 volts. Habrá una velocidad de corteen la que la máquina genera exactamente los 12 volts. Fuérzalo para que gire más rápido, y generará más emf, causando que la corriente viaje hacia la batería. Hazlo que vaya más lento, y producirá menos, permitiendo que la corriente viaje de la batería lo que lo convirte ahora en un motor. El mismo principio aplica para los motores de corriente alterna. De hecho, la mayoría de las grandes turbinas eólicas conectadas a la red eléctrica usan motores de inducción como generadores. Motores de Imanes Permanentes Los motores de los limpiaparabrisas y de los ventiladores en los coches con del tipo de conmutador, con imanes permanentes. Los aerogeneradores usan generalmente velocidades mucho más altas de las que estos soportan, peor se pueden fabricar juguetes para hacer funcionar cosas de muy bajos voltajes. Los motores de encendido usan motores de imanes permanente soy en día, pero las escobillas sólo están diseñadas para trabajar por periodos cortos de tiempo. Hay motores de imanes permanentes de DC disponibles, con velocidades bajas y una mayor eficiencia. La mayoría de estos tienen conmutadores, y se comportan en mucho como los dínamos. Si un motor así está disponible a un bajo costo (como el de una lavadora vieja) lo puedes usar en tu aerogenerador. Sólo trata de evitar grandes corrientes lo que puede quemar o dañar el conmutador. Motores de Inducción Estos son los motores más comunes de encontrar pero lo más difíciles de entender. Son baratos de producir, sin escobillas y con poco mantenimiento. El motor de inducción tiene todos sus devanados en el estator. De hecho el estator es muy similar al de un alternador.
62
El rotor es un simple cilindro de acero laminado que contiene con una caja de barras de aluminio incrustados, con un anillo de aluminio a cada lado. La corriente es inducida a estas barras por las corrientes en los devanados del estator, pero su explicación completa va más allá de los alcances de este curso, ya que no es indispensable saberlo para construir tu aerogenerador. Es suficiente con decir que aunque no hay escobillas ni campos de bobinas, si se requiere de un campo de corriente. Cuando los motores de inducción son usados como generadores únicos, puedes autoexcitarse usando capacitadores. Este es un arte un tanto oscuro. Hay un muy buen libro sobre el tema llamado “Motores como Generadores para Micro Energía Hidráulica, de IT Publicaciones. Los aerogeneradores son un caso más difícil que los hidro generadores ya que la fuerza y la velocidad varían muy ampliamente, pero puede lograrse. El hecho de que los motores estén disponibles a un bajo costo en una variedad de tamaños simplifica el problema de construir este tipo de aerogeneradores. Gastar en motores energéticamente eficientes vale la pena. Construir un Alternador de I manes permanentes desde cero Si el costo de los alternadores de imanes permanentes es prohibitivo, entonces construir el tuyo es una opción muy práctica. Aquí hay unos tips. Imanes Cerámicos Los materiales para los imanes permanentes han avanzado en los años recientes. Existen muchos tipos para escoger: cerámica, aleaciones, imanes de tierra… todos estos muy superiores a los viejos imanes de acero. Los más baratos y sencillos de usar son los imanes de cerámica, hechos de material ferroso. Otros imanes tienen una densidad de flujo mayor y menor peso, pero los ferrosos son relativamente baratos y estables. Busca un material llamado Ferroba3, o Ferroxdure 330, dependiendo del proveedor. Los proveedores pueden ofrecer catálogos con tamaños estándar de los bloques magnéticos. También pueden cortar los bloques para ajustarse a tus requerimientos, y entregártelos pre magnetizados. Usan sierra de diamante para cortarlos. También puedes cortarlos con un disco cortador de piedra. Para hacer un alternador vas a necesitar encontrar o construir una máquina adecuada con un rotor y un estator. Pegar los imanes al rotor de tal manera que un circuito magnético atraviese los cables que habrás ajustado al estator. El circuito magnético debe de estar hecho de los materiales adecuados. El acero o el hierro servirán para el rotor, pero el centro del estator debe de estar laminado. El aluminio y el plástico no son adecuados para el circuito magnético. No hay límite para el número de diferentes formas de máquinas en las que puedas imaginar. Pueden clasificarse como máquinas de campo, radiales o axiales, dependiendo la dirección del flujo del aire. Ver figura de abajo.
63
Máquinas de campo radial La mayoría de las máquinas eléctricas tienen campo radial. Los alternadores de los coches y los motores de inducción son buenos ejemplos de ello. Puedes convertirlos a alternadores de imanes permanentes al ajustar los imanes a los rotores usando varios boques rectangulares de imanes para crear la aproximación de un círculo. Algunos fabricantes de aerogeneradores en Holanda usan cuerpos de motores de inducción como la base para sus alternadores. Usan muchos polos y ajustan el estator con muchos más alambres que los de un motor de inducción. El problema con este tipo de arreglos es que los bloques magnéticos están sujetos a fuerzas centrífugas muy poderosas, combinadas con cambios largos y frecuentes en la temperatura. Estas condiciones son muy demandantes para el pegamento. El otro tipo de arreglo de campo radial es poner el rotor en la parte exterior. Dos de las ventajas de este arreglo es que las fuerzas centrífugas presionan los imanes contra el rotor, en vez de jalarlos; entonces se puede usar el tambor del freno e incluso la rueda de un vehículo como rotor. Los rotores de llantas son baratos y lo suficientemente fuertes para soportar las aspas del rotor atornilladas al hub. Para construir el estator de una máquina de este tipo necesitamos encontrar un núcleo laminado, al cual podamos ajustar las bobinas de salida. La parte exterior de este núcleo debe estar cerca de las caras del imán, dejando solamente espacio de aire para que pase la corriente. Un espacio de aire muy grande implica una menor densidad de corriente, pero cuando la corriente proviene de imanes ferrosos sólo hay una pequeña pérdida de desempeño si el espacio es de alrededor de 1mm. La ventaja de un espacio amplio es que hay menor peligro de que el rotor y el estator hagan contacto por la holgura del rodamiento o la distorsión, como comúnmente pasa en la práctica.
64
La figura de arriba muestra el mejor tipo de laminados para este tipo de máquinas, pero son difíciles de encontrar en la actualidad. La mayoría de motores que se pueden obtener como chatarra son los motores de inducción, con ranuras en el interior del núcleo. Sin embargo, hay proveedores especialistas en laminados o estatores completos.
La figura de arriba una opción alternativa, usando los laminados de un motor de inducción común. Por ejemplo, un tambor de frenos de calibre 254 mm de una camioneta de doble eje trasero, como una Ford Transit, puede usarse con bloques de imán de 20 mm de grosor pegados alrededor en la parte interior, y laminados de 203 mm de un motor eléctrico. El espacio de aire resultante de cerca de 5 mm, es lo suficientemente grande para que se puedan pegar las bobinas a la superficie de la pila de laminados. Este tipo de arreglo es menos poderoso que un alternador con laminados exteriores, ya que hay menos espacio para los devanados y porque mayor parte del flujo de corriente de los imanes se transmite de un polo al siguiente sin cortar ningún cable, pero el arreglo es
65
muy eficiente para salidas de bajo podre (en vientos ligeros). Las pérdidas de acero son menores que con los laminados exteriores, así el inicio es más fácil. Máquinas de Campo Axial Un “campo axial” significa que las líneas de flujo que cruzan el espacio de aire son paralelas al eje, brincando de un disco a otro. El tipo más común de alternadores de imanes permanentes de campo axial es el alternador con “espacios de aire”, como los usados en los molinos de viento de Rutland.
La figura de arriba muestra los discos magnéticos de un alternador de espacio de aire vistas desde el borde. Hay dos discos con varios polos “8 o más” viéndose unos a otros. El polo norte de un disco encara el polo sur del otro y viceversa. El flujo pasa a través del espacio en ambas direcciones. Los grandes aros magnéticos de las bocinas se utilizan comúnmente, magnetizados con varios polos utilizando una plantilla especial. Si lo estas construyendo tu mismo, puedes pegar bloques cerámicos premagnetizados a las caras de
66
discos de acero. Una ventaja de este tipo de arreglo es que los bloques magnéticos funcionan como las aspas de un ventilador, permitiendo que el aire circule a través del estator y lo enfríe. El disco del estator se coloca en el espacio entre los dos discos magnéticos. Este consiste en un grupo de bobinas incrustadas en resina (una resina de poliéster, como las usadas en la construcción de fibra de vidrio). En la versión de fase simple hay una bobina en el estator para cada polo en un disco magnético. Las bobinas pueden conectarse en serie para generar un mayor voltaje, pero cada segunda bobina necesita sus conexiones revertidas, ya que la dirección del flujo se alterna. Ver figura de abajo.
También es posible construir una versión de tres fases. Hay tres bobinas para cada cuatro polos (seis bobinas para cada ocho polos). Cada tercer bobina se conecta en serie para hacer un grupo de fase (no es necesario revertir el flujo). Une las puntas de los tres grupos de fase, y usa las tres puntas finales como salida para el rectificador (agrupamiento de estrella).
67
Incluso con el alternador de espacio de aire se puede elegir entre montar el rotor al eje o a la cubierta. Ver figura de arriba. Las máquinas de campo axial generalmente usan cubierta, pero este no es el mejor arreglo ya que el disco del estator solamente está sujeto en el centro, en donde puede romperse o pandearse fácilmente. La configuración de eje es más robusta. El alternador de espacio de aire no tiene laminados, por lo tanto: No hay pérdidas de hierro No hay engranaje y se requiere un mínimo de torque de arranque Puedes construir uno sin la necesidad de laminados • • •
Sin embargo el delgado disco del estator es difícil de enfriar, por lo tanto puede quemarse con facilidad. Consejos de Diseño Hay muchos “planos de aerogeneradores” disponibles, pero para quienes quieren diseñar su propio alternador con su propio ingenio aquí hay unos consejos. Diámetro del espacio de aire La mejor forma para un alternador de baja velocidad es que sea grueso. El círculo descrito por el espacio de aire debe ser grande. Al incrementar el diámetro se incrementa la velocidad a las que los imanes pasan las bobinas. Esto incrementa la eficiencia para un cierto peso de imanes y bobinas, a ciertas rpm.
68
El límite de grosor del alternador se da cuando el rotor no es lo suficientemente rígido para prevenir el contacto con el estator. Las fuerzas magnéticas, y la rotación del eje contribuyen al riesgo. La frecuencia de operación también limita el diámetro. Número de Polos Si el diámetro del espacio de aires es grande, entonces has espacio para muchos polos. La decisión en el número de polos es hasta cierto punto arbitraria, porque unos pocos polos anchos empujarán muy poco flujo más a través de las bobinas que muchos polos delgados. Para cada alternador habrá un número óptimo, dependiendo de los siguientes factores: La frecuencia depende del número de polos. Una alta frecuencia (más polos) es útil si quieres usar transformadores, pero también lleva a una mayor pérdida por hierro La pérdida de cobre depende del grosos de las bobinas, y es menor si los polos son pequeños Una parte del flujo falla al pasar a través del estator pero brinca al siguiente polo. La mayor parte del flujo que se filtra de este modo es mayor cuando hay muchos polos y un gran espacio de aire El circuito magnético necesita ser más fuertemente construido para poder llevar un mayor flujo sin saturarse, si las caras de los polos son grandes. •
•
•
•
La forma de las bobinas La bobina debe tener una forma que permita que cada polo pase la bobina, la mayor parte del flujo estará unido a ello. El grosor de la bobina dependerá del espacio disponible. Por ejemplo, las bobinas en un alternador de espacio de aire debe ser del mismo grueso que el disco del estator. Las bobinas en un núcleo laminado deben estar diseñadas para ajustarse a las ranuras, permitiendo las líneas de aislamiento. Si las bobinas se sobreponen (como sucede en los devanados de tres fases) debes tener suficiente espacio disponible para esto. Número de vueltas El número de vueltas necesita elegirse para generar el voltaje deseado a las rpm deseadas. El desempeño de voltaje/velocidad no es siempre fácil de predecir, especialmente cuando el diseño no se ha usad anteriormente. Observa las ecuaciones para la fórmula del número de vueltas de la bobina que producen 12 volts a ciertas rpm. Divide estas vueltas entre las bobinas agrupadas en paralelo. Si las vueltas a la velocidad de corte es muy baja, o el voltaje es muy alto, puedes reconectar las bobinas en delta o paralelo. Pero es mejor usar otro devanador con menores vueltas. Ya sea en delta o en paralelo, los devanadores pueden sufrir de corrientes parásitas o armónicas que circulan entre una bobina y otra.
69
Grosor del alambre Utiliza el alambre más grueso que puedas ajustar fácilmente en el espacio disponible, para minimizar la pérdida de cobre. Si el alambre grueso es muy rígido puedes usar dos o más alambres más delgados enrollados. A diferencia de los cables, los alambres devanadores no llevan una corriente específica sin sobrecalentarse. Esto se debe a que el enfriamiento depende completamente de la geometría del devanador. En donde el estator tenga una amplia superficie y una buena ventilación, será capaz de disipar más calor antes de llegar a la temperatura a la cual se daña el aislamiento. Utiliza la fórmula para predecir la pérdida de cobre para estimar que fracción de la energía se pierde en los devanadores. Verifica que la eficiencia sea aceptable (mayor al 50%). También puedes verificar cuanta corriente puede soportar el estator, al pasar esta corriente en una prueba, y medir el incremento de temperatura. En un aerogenerador, el enfriamiento es comúnmente mejor. Conclusiones El generador es el corazón del aerogenerador y la parte más difícil de construir. Con un buen generador estas a más de la mitad del camino. Puedes hacer las aspas de acuerdo a los detalles en los capítulos anteriores. También necesitarás buenos controles, como se describen en los siguientes dos capítulos, para obtener lo mejor de tu generador.
70
Capitulo 6: Controles Mecán icos Además de su tarea principal de convertir la energía del viento en electricidad, el aerogenerador debe adaptarse a las circunstancias. Debe afrontarse al viento. Adicionalmente, necesita protegerse de la violencia de los vientos mayores a la velocidad promedio. Esto debe suceder de forma automática, ya que hoy en día es irreal pensar que habrá alguien cuidando la turbina a tiempo completo. Tarde o temprano, habrá un vendaval cuando no estés vigilando. Las turbinas eólicas de mayor tamaño tienen controles computarizado, que operan los servo-motores, los motores hidráulicos y todo tipo de parafernalia. En una planta de ese tamaño el mantenimiento es económico. El mismo enfoque podría funcionar en un aerogenerador de menor tamaño, pero el costo sería demasiado alto. Los problemas de confiabilidad serían la peor parte del costo. Las turbinas eólicas necesitan controles simples y pasivos en medida de lo posible, Siempre hay que asumir que cualquier parte móvil se atorará o se desgastará. Si algo puede vibrar, lo hará hasta desprenderse. Los relámpagos pueden golpear la turbina en cualquier momento, y en algunos lugares es muy probable que esto suceda. Si el agua puede entrar a alguna parte es un hecho que lo hará. La simplicidad es lo más importante. Tener buenos controles puede incrementar en gran medida la producción de energía de un aerogenerador, ayudándolo a alcanzar su capacidad máxima, y manteniéndolo seguro contra las inclemencias del clima. Los mecanismos que se apagan son más fáciles de controlar, pero los sistemas que mantienen el aerogenerador en producción a pesar de las condiciones adversas son mucho mejores. De frente al viento La mayoría de los aerogeneradores de menos de 10kW de capacidad utilizan una cola para mantenerlos de frente al viento. Las máquinas de eje vertical no involucran el concepto de enfrentar al viento, ya que no tienen una cara que deba hacerlo constantemente. Algunas HAWTs se mueven a favor del viento, lo cual significa que la cola no es necesaria ni conveniente. Pero, las HAWTs que van en contra del viendo requieren usar colas. Diseño de la cola Cada HAWT cuenta con una corona de orientación, en la cual se coloca, dándole libertad de rotación. La línea vertical en el centro de la corona de orientación se conoce como el eje de derrape. La cola es una veleta al final de un soporte. La veleta atrapa el viento, jala el soporte y gira la máquina para que esta quede frente al viento. La cantidad del momento de giro que la cola necesita producir depende de diversos factores como: Fricción de la corona de orientación Fuerzas aerodinámicas en el rotor (fuerzas de auto orientación) La tendencia del centro de gravedad de ir hacia abajo si la torre no es completamente vertical. • • •
71
El momento de desvío producido por la cola es simplemente la fuerza lateral de la veleta multiplicada por la longitud del soporte. Un soporte más largo compensará por una veleta más pequeña. La fuerza lateral en la veleta de la cola dependerá del área de la veleta, y de la velocidad del viento al cuadrado. Para más detalles revisa la sección de Ecuaciones. Como regla de oro, el soporte debe ser igual a la longitud de un aspa, lo cual implica que será de la mitad del diámetro del rotor, con una veleta centrada en la punta. Un refuerzo puede ser útil, dependiendo de la rigidez de la veleta. El área de la veleta dependerá del trabajo que esta tenga que hacer. Si la corona de orientación es móvil, el rotor debe centrarse en el aerogenerador y la torre vertical, entonces la veleta puede ser bastante pequeña. Las veletas de la cola son rara vez menores al 3% (un tercio) que el área de barrido del rotor. Por ejemplo, un rotos de dos metros de diámetro tendrá una rea de barrido de 3 metros cuadrados, por lo tanto el área de la cola deberá ser de 0.1 metros cuadrados como mínimo. Esto implicaría una veleta de 300mm cuadrados. Una veleta alta y delgada es más efectiva que una larga y baja, pero la forma hace muy foca diferencia en el funcionamiento. La vista es también importante, Si eres una persona mecánica en vez de artística, tal vez sería bueno buscar ayuda en esta área. Revisa la imagen de abajo para algunas ideas sobre las veletas de un aerogenerador.
Corta la veleta de la cola de cualquier material en lámina, pero cuidado con los materiales muy delgados como las hojas de aluminio. La madera hace una veleta muy durable. 72
Las colas pueden caerse con facilidad, ya que se ven afectadas por la vibración producida por el aerogenerador. No hay que desestimar los efectos de este temblor constante. Las ráfagas de viento combinadas con el tambaleo del rotor y la vibración del generador se añaden a un gran espectro de poder mecánico excedente que afecta a la cola. La cola y sus ajustes deben ser sustancialmente fuertes para resistir, por motivos de seguridad. Mecanismos de Orientación Los aerogeneradores grandes utilizan otros métodos para enfrentarse al viento, En los viejos molinos de maíz, la orientación se conocía como “abatimiento” y en un principio se hacía de forma manual, como todo lo demás. El molino tenía un extremo desde la parte trasera que llegaba hasta el piso. El molinero usaba un simple torno para maniobrar la cola en la mejor posición. Incluso en nuestros días, un tubo de andamio pegado a la parte trasera del aerogenerador prototipo es un buen sistema de control a corto plazo. Si el rotor se sale de control, puedes orientarlo lejos del viento de forma manual, Se recomienda usar casco para este tipo de trabajos, en caso de que haya algún desprendimiento. Con el desarrollo de equipos más económicos, la cola de ventilador se introdujo a los molinos de maíz a mediados del siglo dieciocho. Un rotor de ventilador se monta en la parte trasera del aerogenerador principal, en los ángulos correctos. El ventilador se conecta con una serie de engranes y cadenas a un engrane que orienta el aerogenerador principal a una posición encuadrada si el viento viene de un lado. La cola de ventilador es un artefacto muy cargado, por lo tanto funciona de forma segura y lenta, lo cual es ideal. Las colas de ventilador han sido sustituidas por motores eléctricos o hidráulicos en los aerogeneradores modernos, pero su simplicidad representa una gran ventaja. Por ejemplo, son aún muy populares en sistemas únicos, en donde no hay ninguna otra fuente energía para orientar el motor antes de que el aerogenerador comience a funcionar. Evitar la sobrecarga No es económico ni inteligente tener un aerogenerador demasiado grande para la capacidad a la que trabajará, ya que si no absorbe toda la energía, el rotor se sobrecargará, resultando en fuerzas centrífugas excesivamente altas, y vibración y ruido inaceptables, lo cual es sumamente peligroso. Si el diámetro del rotor excede un diámetro de un metro, necesitarás prevenir el exceso de velocidad. Una manera de hacerlo es usar frenos de aire que funcionan centrífugamente, pero esto es como si tratáramos de conducir con un pie en el freno y otro en el acelerador. Lo cual no es bueno para el auto en un largo plazo. Una mejor manera de hacerlo es evitar que se atrape la energía en primera instancia. Mantén un perfil bajo fuera de la tormenta. Hay dos tipos comunes de sistemas de gobernación, los cuales automáticamente limitan la engría capturada por el rotor:
73
Uno que incline toda la máquina, de tal manera que el rotor quede sesgado al viento. La cara que da al viento tiene un bajo perfil. La velocidad del viento a través del rotos se reduce y por lo tanto también la energía capturada. Uno que ajuste la inclinación de las aspas individuales. Torcer las aspas cambia el ángulo de ataque, reduciendo el levantamiento. Los sistemas de gobernación que mueven todo el rotor son más simples de construir, pero más lentas en su operación que los controles de inclinación, de tal modo que no trabajan con tanta precisión. La salida de energía es mucho menos tranquila en sitios turbulentos en donde la velocidad y la dirección del viento varían constantemente. El control de la inclinación puede hacerse rápidamente y puede hacer que la salida de energía sea mucho más homogénea, peor es muy complicado de configurar. Requiere de un hub con partes móviles que deben ser lo suficientemente fuertes para soportar las fuerzas y momentos a los que están sujetas las raíces de las aspas, mientras que se mueven correcta y confiablemente para ajustarse al ángulo de inclinación. Alejarse del viento Hay muchos sistemas con nombres muy creativos como “autoenrollado” o “enrrollamatic”. Todos estos funcionan bajo los mismos principios, activados por la presión del viento en el rotor. A medida quela velocidad del viento incrementa, el empuje en el rotor se incrementa también, hasta que llega a un punto en el que activa el mecanismo de enrollado, y el aerogenerador se aleja del viento. El aerogenerador de derrapa o se inclina de tal manera que se encara hacia arriba. En cualquier caso el rotor queda sesgado al viento. Esto reduce efectivamente el componente de la velocidad del viento a través del rotor, limitando la velocidad y la salida de energía. En la práctica, la salida de energía depende de la fuerza de empuje a lo largo del eje del rotor, sin importar el ángulo del rotor hacia el viento. Así que, al mantener esta fuerza constante, se puede gobernar el aerogenerador. Los secretos de los sistemas de enrollado lateral Veamos un ejemplo en el que el aerogenerador se derrapa hacia los lados. Se usa la fuerza del empuje del viento en el rotor para manejar el movimiento de enrollamiento. El empuje en el rotor se centra en su eje. Si este eje es compensado por el eje de derrape, entonces el empuje crea un momento de enrollado, alejando el aerogenerador del viento, tal como se ve en la imagen de abajo.
74
In velocidades de viento normales no queremos que el rotor de derrape hacia los lados; queremos que enfrente al viento directamente y atrape toda la energía posible. Es por eso que se debe construir una cola lo suficientemente grande para soportar el momento de derrape causado por la compensación, usando una veleta con un área de cerca del 10% del área de alcance del rotor. La veleta de la cola se compensa con el ángulo de taque de 20º al lado opuesto de la compensación del eje del rotor. Esta cola produce un momento de restitución que equivale al momento de derrape del empuje del rotor. A manera que el viento incrementa, se llega a un punto en el que el aerogenerador llega a su punto máximo. Más allá de este punto la cola debe ladearse y permitir que el aerogenerador de aleje del viento. En otras palabras, el momento de restitución de la cola debe tener un límite superior estrictamente definido, que de ser superado debe permitir al rotor derraparse. Derrapar el rotor lejos del viento reduce la velocidad del viento a través del rotor, reduciendo el empuje en el eje, alcanzando un equilibrio y reduciendo la cantidad de energía generada. No es necesario que el aerogenerador se detenga por completo. Un momento constante de restitución (regresar el rotor hacia el viento), a través de un rango
75
de movimiento, asegurará el empuje constante en el rotor, brindado una salida constante de energía independientemente de la velocidad del viento. En muchos casos el momento de restitución se vuelve más débil a medida que el aerogenerador se aferra. Este tipo de aerogeneradores se aferran con facilidad en vientos grandes, y la salida de energía cae. Esto es más seguro que la sobre aceleración, pero también es inestable. En un sitio turbulento, el aerogenerador puede derraparse repentinamente, poniendo un gran estrés giroscópico que puede doblar las raíces de las aspas. Construcción de colas enrollables A medida que crece la compensación del rotor, la cola debe ser más larga para mantener la máquina derecha en vientos normales. Pero la mínima compensación que se puede usar es un 4% del diámetro del rotor. Por ejemplo, un rotor de 2 metros de diámetro debe tener una compensación de al menos 80mm. Si la compensación es demasiado pequeña, el rotor puede moverse independientemente y buscara el viento. Este momento de auto orientación puede abatir el sistema de gobernación por completo. Un rotor con una compensación demasiado pequeña se derrapara hacia el viento son la ayuda de una cola bajo ciertas condiciones. El diseño obvio es una cola de resorte, que se doble cuando la fuerza del resorte sea excedida. Pero un resorte es vulnerable a las inclemencias del tiempo y el agotamiento. De tal manera que no permite un momento de restitución constante. La tensión en el resorte se incrementa a medida que el resorte se estira. El radio de acción del resorte (su distancia de la bisagra) también cambiará. La mejor manera de hacer una cola auto enrollable que sea confiable es usar la gravedad en vez de un resorte para jalar la cola a una posición normal de funcionamiento. Esto se logra al montar la cola en una bisagra inclinada, La cola cae hasta un tope bajo su propio peso en la posición normal de baja velocidad del viento, tal como se muestra en la figura de abajo.
76
El momento de restitución varía al alcanzar un tope del movimiento de la cola, pero en la práctica estas variaciones son generalmente tolerables. Un enfoque más simple es utilizar un tubo fijo para la cola, con una veleta suspendida debajo por bisagras. Este tipo de cola es menos precisa en la operación, y mayormente presionada en las tormentas ya que se proyecta a través del viento y está sujeta a toda su fuerza, con veleta aleteando. Sistemas de I nclinación El otro tipo de arreglo para sesgar el rotor del viendo es montar el aerogenerador en una bisagra que permita que se incline hacia atrás para apuntar al cielo. Este tipo de sistemas de inclinación son tan utilizados como los otros. La elección generalmente depende de la experiencia previa del diseñador. Los sistemas de inclinación pueden exhibir extraños movimientos giroscópicos bajo condiciones turbulentas. El sistema de inclinación necesita alguna clase de momento de restitución para poder mantener el rotor de frente al viento. Comúnmente el peso del generador y el rotor lo mantienen en su lugar al principio, pero a manera de que sube, el peso sobrepasa el punto pivote. El momento de restitución disminuye, y el aerogenerador tiende a apuntar hacia atrás y a bajar la velocidad. Esta posición es inestable, ya que caerá de nuevo hacia adelante, y esto sucederá repetidamente en sitios turbulentos. Se puede usar un resorte para jalarlo hacia adelante, compensando la pérdida del momento de restitución, pero los resortes no son deseables en los aerogeneradores, Si tienes que usar un resorte, una uno de acero inoxidable que sea muy grande y con poca tensión. Pon especial atención en evitar la fatiga de los ajustes. Sistemas de apagado Es un gran alivio tener sistemas de apagado, pero usarlos es admitir la derrota, ya que un aerogenerador apagado es una oportunidad perdida. Es suficientemente malo que los aerogeneradores no funcionen en climas tranquilos, por lo que deben funcionar a tiempo completo en climas ventosos. Un buen sistema de gobernación debe poder lidiar automáticamente con cualquier velocidad del viento. Pero si hay una pérdida seria en el balance del rotor, o una falla eléctrica, entonces un sistema de parada de emergencia puede ser muy útil. También al elevar el aerogenerador en su torre el rotor debe ser detenido. Los aerogeneradores pequeños cuentan con frenos mecánicos. Un freno que es lo suficientemente largo para detener el generador en una buena brisa necesita estar bien construido. Hacerlo a medias no sirve de nada. Un buen freno: • •
es caro; utiliza espacio del contenedor del generador o desarregla la forma del aerogenerador;
77
•
requiere mantenimiento y pruebas de confiabilidad, por lo cual generalmente se evita.
Interruptores y calentadores del freno Los alternadores de imanes permanentes se mantienen funcionando correctamente incluso con velocidades muy bajas porque el flujo está siempre presente. Si se hace un corto circuito en la salida de energía, al conectar todos los cables de corriente alterna, usando un interruptor de freno, el alternador bombeara grandes corrientes alrededor de sus devanadores y cables. Incluso en los no volts, la pérdida de cobre desperdiciará suficiente energía para detener las aspas del rotor de forma muy eficiente. Un interruptor de freno es una buena manera de prevenir un arranque indeseado, pero no siempre es una buena manera de detener un aerogenerador. Existen dos problemas potenciales. Primeramente, algunos alternadores, cuando llegan a su máxima producción, generan más poco torque con el interruptor del freno prendido que si está apagado. Ellos mismos limitan su propia corriente, por la reactancia interna inductiva. Los aerogeneradores con este tipo de alternadores no pueden ser detenidos a menos que la velocidad disminuya por debajo de ciertas rpm. Cambiar al tamaño correcto de calentador en los cables de corriente alterna asegurará que se detenga en la siguiente calma del viento. Segundo, otros alternadores transportan corrientes tan altas cuando se les hace un corto circuito que el choque coloca una carga inaceptable en las aspas del rotor, causando que se rompan las raíces. Los interruptores de freno no son confiables en caso de fallas eléctricas, tales como la desconexión de cables del aerogenerador. Se escapará ya que la carga se ha removido. La misma falla puede haber causado que se desconectarla también el interruptor del freno, lo cual no ayudará. A pesar de estas desventajas, un interruptor de freno es un buen freno para mantener detenido el aerogenerador, y ya que no cuesta nada, excepto por un interruptor lo suficientemente grande, vale la pena tenerlo, si se usa solamente al levantar la torre. De forma alternativa, un calentador funciona como un buen sistema de apagado automático. Cables de enrollado En vez de usar un freno mecánico, puede usarse el mecanismo de enrollado existente para pagar el aerogenerador con un cordón, que enrolle la cola o incline el aerogenerador hacia atrás apuntando hacia el cielo. Estas son las desventajas: •
Un aerogenerador enrollado no es confiable para no arrancar mientras se levanta la torre;
78
•
•
Los cordones de freno son muy propensos a la corrosión y probablemente de echaran a perderá menos de que sean revisados y lubricados regularmente; El cordón para enrollar sigue la misma ruta hacia el piso que el cable de poder. Por lo que es muy probable que se entrelacen. Una solución simple es usar el cable de electricidad del aerogenerador como cordón para enrollar. Solo hay que jalar el cable, pero no demasiado fuerte porque puede romperse.
También puede usarse un servo-motor para enrollar la cola, o para aplicar un cierto tipo de freno. Puede ser movido por un circuito que detecte el exceso de velocidad, o incluso una batería completa. Los aerogeneradores han sido controlados de esta manera, pero hay muchas cosas que pueden fallar.
79
Capítulo 7 : Controles eléctricos Los controles eléctricos son otro importante enlace en la cadena entre la energía eólica y su uso útil. Así como en los controles mecánicos, la clave para una buena confiabilidad es mantener las cosas tan simples como sea posible. El equipamiento eléctrico y electrónico necesita ser montado dentro de una caja. Si dejas al descubierto las terminales e las baterías o sobre el pasto debajo del aerogenerador, estas fomentando la corrosión. Asegura todos los cables conforme se acercan a las terminales para evitar el movimiento. Las conexiones a la red deben de estar definitivamente en cajas cerradas para prevenir el contacto con cosas extrañas. Los controles electrónicos sirven dos propósitos (usando frecuentemente circuitos similares para cada uno): Controlar la carga eléctrica del aerogenerador para optimizar la velocidad, y maximizar la energía que capturan las aspas del rotor Controlar la corriente que llega a la batería para protegerla de daños y mantener el voltaje en límites seguros •
•
Control de la Carga: la clave para un buen desempeño El rotor operará de mejor manera a una velocidad particular de punta. Durante el arranque, la velocidad de punta estará por debajo de su punto óptimo, entonces la carga del generador tiene que ser muy débil a bajas velocidades. Esto permite al rotor acelerar de la estática hasta alcanzar la mejor velocidad. Sistemas de Carga de Baterías Afortunadamente, el circuito de carga de las baterías carga al generador muy bien sin la necesidad de ningún control. Casi ninguna carga es requerida para hacer girar el rotor lentamente, porque no hay flujo de corriente en la salida del circuito hasta que el voltaje del generador excede el voltaje de la batería. Para este momento, la velocidad de corte ha sido alcanzada, el rotor está girando a una velocidad e punta suficientemente alta para proporcionar la energía necesaria. Sistemas de Calentamiento Cuando la energía es alimentada directamente a cargas eléctricas como un calentador, algún tipo de controlador electrónico es necesario. Si simplemente conectas el generador al calentador, tendrás un simple sistema eléctrico, pero el calentador empezará a extraer energía al momento que un voltaje aparezca en el circuito estancando al rotor. Esencialmente, lo que el controlador tiene que hacer es permitir al aerogenerador arrancar y tomar velocidad, hasta que alcanza su velocidad de punta de diseño. Hasta ese punto es cuando el calentador es conectado. El aerogenerador bajará su velocidad inmediatamente hasta estar por debajo de la carga, así que el controlador debe de desconectar de nuevo el calentador para evitar el estancamiento. De hecho, el calentador debe de ser conectado
80
y desconectado una y otra vez rápidamente para mantener la carga óptima en el rotor del aerogenerador. Es mejor usar componentes electrónicos en vez de interruptores electro-mecánicos para controla la energía del calentador. Los interruptores semiconductores no tienen partes móviles, y pueden ser muy confiables y baratos. Es mucho mejor dar carga al aerogenerador de manera gradual en vez de todo o nada. Hay dos maneras de hacer esto. Ya sea poner los calentadores en fase de manera gradual, o prenderlos uno a la vez. En cualquiera de los casos, el controlador siente la velocidad del generador monitoreando el voltaje (inclusive hasta la frecuencia), y aplica más carga al generador conforme este acelera. Esto hace que las aspas funciones de manera óptima. Control de Fase
Los interruptores electrónicos llamados “triacs” se usan frecuentemente como interruptores en AC. Una vez que los triacs fueron encendidos estos no se apagarán hasta que la corriente pare o se invierta, ver figura de arriba. La cantidad e corriente en el circuito puede ser controlada retrasando el inicio e cada pulso, usando triacs. Modulación de Pulso Ancho
81
Una manera más popular de acercarse al control de calentadores es la de rectificar la corriente en DC y encenderlos el pulsos muy rápidos con un transistor, ver figura de arriba. Los transistores MOSFET y los IGBTs son buenos para hacer este trabajo, pero son menos robustos que los triacs, y si llegan a explotar e vez en cuando. Diseñar Diseñar este tipo de controladores es trabajo de un experto en electrónica. Los pulsos son encendidos a frecuencias muy altas (digamos 5,000 Hz) lo que suena al oído humano como un silbido muy agudo. La cantidad de energía que va a los calentadores es controlada regulando la longitud de los pulsos. Control de Carga Escalonado
Los métodos de control de arriba (a veces conocidos como “control proporcional”) dan resultados fluidos, pero pueden ser engañosos de diseñar, y pueden causar interferencias interferencias de radio. Un acercamiento más fácil para los novatos en electrónica es usar un número de pequeños calentadores y prenderlos uno después del otro, ver figura de arriba. Este método funciona cuando hay suficientes calentadores, así la carga llega en pequeños escalones lo que no hace un gran efecto en las aspas. Vale mucho la pena usar triacs y dispositivos de interrupción en un sistema así. Son robustos y baratos.
82
Fuentes de Alimentación de AC directa El viento no es confiable, por lo que raramente es usado como fuente de alimentación directa de circuitos AC, pero puede ser logrado. Para asegurar un abastecimiento constante, un aerogenerador más grande es necesario. La velocidad puede ser controlada por elementos mecánicos o eléctricos. Lo más común es usar calentadores conectados a los controladores como vimos más arriba. Para poder usar aparatos de AC debes de darles un voltaje similar al cual dicen que opera. La calidad de control requerida depende de para qué vas a usar la energía. La iluminación requiere de un voltaje constante constante para ser confiable confiable y aceptable. Para tener luz directamente de un aerogenerador, necesitas regular el voltaje de alimentación de manera precisa usando un regulador de voltaje automático. Los aparaos con motor, como una licuadora, aspiradora, taladro, etc., funcionarán de buena manera en un rango de voltajes y frecuencias. frecuencias. Puedes hacer hoyos o licuar algo en el rango de voltaje de 125 de manera satisfactoria. Pero en vientos lentos esto puede hacer que el aerogenerador se detenga. Conversión de Energía usando transformadores La manera más común de alterar el voltaje de un suministro es usando un transformador. Los transformadores trabajan en AC, no DC. Si se usa por debajo de su frecuencia nominal nominal tendrás problemas al menos que el voltaje también sea reducido. Esto se adapta a aerogeneradores que trabajan a distintas velocidades, en donde ambas caerán juntas. Si tienes un cable largo entre el aerogenerador y la batería, necesitarás ya sea un cable muy grueso, o un voltaje muy alto. Con un transformador, puedes usar un aerogenerador de 230 volts para cargar una batería de 12 volts. Puede que te encuentres con problemas en el arranque del rotor, rotor , al menos que haya una desconexión automática a bajos voltajes, porque la impedancia del transformador es baja con bajas frecuencias, por lo que la corriente siempre fluirá hacía el circuito. El costo extra del transformador t ransformador puede ser tan alto como el del cable, pero usar aerogeneradores con altos voltajes puede tener otras ventajas: Puedes “tirar” energía hacía calentadores cuando la batería está llena Puedes usar aparatos como licuadoras y taladros directamente del viento Puedes adaptar el desempeño de tu generador para ajustarse a la velocidad del viento. • • •
Como trabajar con baterías Las baterías son costosas, y tu capacidad de almacenamiento está limitada por el tamaño de la batería. Cuando se alcanzan los límites de almacenamiento, es hora de tomar decisiones, ya sea de manera manual o automática, en desviar la energía por nuevos canales.
83
Las baterías necesitan algunas consideraciones. consideraciones. Como cualquier otra cosa de la cual dependes, necesitan buena atención. atención. Lo que más les gusta a las baterías es ser cargadas de manera continua y gradual con corrientes de voltaje de 14 volta (para una batería de plomo-acido de 12 volts). Hay dos reglas básicas a la hora de manejar baterías: No permitas que el voltaje se vaya muy bajo No permitas que el voltaje se vaya muy alto • •
Puedes ayudar a las baterías adaptando tus hábitos para ajustarse al viento, hacer las tareas que demandan mucha energía en días con mucho viento, y practicar la conservación de energía durante los días tranquilos. Pero esto puede ser pesado si se lleva a los extremos, y necesitas de controles automáticos, aunque sólo sea como reserva. En las líneas siguientes hay que asumir que estamos hablando de un sistema de 12 volts, cuando hablemos de voltajes. Por ejemplo, lo ideal para una batería así son 14 volts. Si el voltaje del sistema es de 24 volts, debes de doblar el voltaje ideal, por lo que sería de 28 volts. Estos voltajes son sólo directrices. Trabajarán de manera correcta para la mayoría de las baterías de plomo acido, pero el voltaje de las baterías depende de la carga de corriente, de la temperatura, del tipo de batería y de las condiciones. Si tienes baterías de gel con electrolitos sólidos es muy importante que el voltaje no se vaya muy alto. Revisa las especificaciones especificaciones de la batería que vayas a usar. Previniendo voltajes bajos La causa más común de daños en baterías en un sistema de energía eólica es que se queden sin batería y así se dejen. Las baterías odian esto. El voltaje se puede usar como indicador del estado de carga. No descargues una batería de 12 volts por debajo de 11.5 volts a menos que puedas recargarla inmediatamente. Para prevenir sobre-descargas, sobre-descargas, puedes: Simplemente mantén la vista en el voltaje y maneja el sistema tu mismo Usa una alarma de bajo voltaje Ten un corte de bajo voltaje, que automáticamente desconecta desconecta la televisión y otras cargas no esenciales (no apagues todas las luces o la computadora sin una advertencia previa). • • •
En el instante en que el corte entre en acción, el voltaje brincará hasta equiparse con el voltaje del circuito abierto. Ten mucho cuidado cuando conectes el sistema de corte. No desconectes las baterías y dejes la carga conectada al aerogenerador. Un aerogenerador sin una batería conectada puede resultar en voltajes altos muy peligrosos, que casi de seguro dañarán tus aparatos conectados.
84
Cargando controladores de voltaje Si la corriente de carga (amps) es más grande que una decima parte de la capacidad amphora de la batería, es esencial tener algún tipo de control automático. Voltajes Flotantes Como mencionamos antes, las baterías aman ser cargadas a 14 volts. Cuando la batería está muy baja se necesitará de una gran carga de corriente para llegar a los 14 volts, y probablemente no habrá suficiente viento para alcanzarlo. Pero conforme la batería se acerca a su carga máxima, sólo se requerirá de poca corriente para alcanzar y mantener el voltaje. Los reguladores de carga en los coches simplemente limitan la carga de corriente del alternador para prevenir que el voltaje se eleve por encima de los 14 volts. En un sistema eólico tiene más sentido dividir la energía hacia un calentador, en vez de bloquear la fuente de energía, lo que puede causar que el rotor sobregire. Igualado la Carga Si el voltaje llega por encima de los 15 volts, las baterías se pueden sobrecalentar, dañándolas si esto pasa por mucho tiempo. Nunca le hagas esto a baterías de gel. Sin embargo es una buena práctica cargar baterías normales (manteniéndose atento) si han sido muy descargadas. Esto se conoce como “igualación de carga” porque se asegura que las celdas de las baterías alcancen su carga máxima. Considerando las cargas Los altos voltajes reducen el tiempo de vida de los aparatos. Los bulbos de alógeno y las televisiones son muy caras, por lo que vale la pena tener un control automático para prevenir el sobre voltaje en equipos de mucho valor. Regulador de Desviación Los electrónicos envueltos en controladores de voltaje de baterías son muy similares a los de control de calor. Para prevenir que el voltaje de la batería suba mucho, necesitas tirar carga a un calentador, conocido como “lastre de carga”. Esto se conoce como regulador de desviación, porque divide la corriente en un circuito paralelo. Puedes usar semiconductores para controlar los calentadores en un regulador de desviación. Un número de pequeños calentadores funciona mejor que uno grande. La presencia de la batería retrasará los cambios en el voltaje. Puedes prender un calentador cuando el voltaje llega a los 14.5 volts y apagarlo cuando se llega a los 13.5 volts, para permitir un retraso de segundos entre ellos. Controladores de este tipo pueden ser modulares e independientes uno del otro. Simplemente puedes conectar más de ellos conforme tu sistema se expanda.
85
Tirando voltajes principales a través de un inversor Si el sistema incluye un inversor poderoso, puedes hacer funcionar calentadores principales con él. Es fácil apagar o prender calentadores principales porque puedes usar semiconductores más pequeños. Sin embargo esto puede hacer que las luces parpadeen. También, si el inversor falla o se apaga debido a una sobrecarga o si hay un termostato en el calentador, entonces tu carga de laste ya no estará disponible, por lo que necesitarás otro lastre de carga disponible para prevenir que el voltaje crezca mucho.
86
Capítulo 8: La Torre Se podría escribir un curso completo hablando sólo de las torres, pero existen recomendaciones importantes. Haz la torre tan alta como puedas y sea muy segura, porque la calidad y cantidad del viento mejora con la altura. Un aerogenerador escondido entre árboles nunca alcanzará su máximo potencial. Tipos de Torres: Con guías o solas
Torre con guías
Torre sin Guías
87
A nadie le gustan las guías. Son feas, intrusivas y vulnerables a daños. Las torres solas son preferibles, pero desafortunadamente son más pesadas y caras. Al final, las torres con guía son la opción más usada, ya que son más costo-efectivas. Por lo que el resto del capítulo es sobre torres con guía. ¿Qué tan fuerte es suficientemente fuerte? Debes asegurarte que todas tus cuerdas guías, grilletes, anclas, etc., sean lo suficientemente grandes para aguantar la tensión. Aquí están los pasos para llegar a un tamaño correcto. Primero, estima el máximo de fuerzas a la que estará sujeta la estructura. Las fuerzas de erección y de tormentas son usualmente las más fuertes. Después calcula como estas fuerzas afectarán al componente que estas diseñando. Para trasladar la fuerza en un aerogenerador hacía las cuerdas guías, necesitas usar una técnica conocida como “tomar el momento de un punto”. El punto obvio para tomar el momento es la base de la torre, así como la punta de esta. Por último aplica un factor de cinco veces entre el “trabajo seguro de carga” (SWL) y la tensión de quiebra, ver tabla de abajo. Una carga de prueba de el doble de la carga puede ser aplicada para probar la fuerza de la estructura. Guía para Cuerdas de Cable de Acero Diámetro SWL 6mm 400kg 8mm 700kg
Carga de Prueba 800kg 1.4 tons
Carga de Ruptura 2 tons 3.5 tons
Erección o Levantamiento Puedes calcular o medir fácilmente el peso del aerogenerador y de la torre. El levantamiento no siempre es un proceso fácil. Puede haber fuerzas y balanceos que dupliquen las fuerzas actuales. Como es una carga dinámica, debes de aplicar un factor de seguridad de dos. En este manual veremos únicamente la torre “tilt-up”. La base tiene bisagras para permitir que la torre se balance hacía arriba y abajo fácilmente. La cuerda de levantamiento pasa por encima del “poste grúa”, lo que permite un radio de acción adecuado para la fuerza de levantamiento, ver figura de abajo.
88
El radio de acción de la cuerda de levantamiento es prácticamente igual a la longitud del poste grúa. Mientras más largo sea tu poste grúa, menos fuerza se requerirá para levantar la torre. El peor caso es cuando conforme la torre se está poniendo vertical, el radio de acción va disminuyendo. Cargas de Tormentas La carga de tormentas de la torre sin guías depende en la velocidad del viento y el área frontal que la torre le presenta al viento. Asumiendo vientos de 50 m/s como máximo, puedes esperar fuerzas de 250 kg/metro cuadrado de superficie expuesta al viento. Si el rotor está apagado o girando muy lento, entonces puedes usar el área proyectada para calcular el empuje en el aerogenerador. Puedes igualar el momento de giro del empuje del viento en una torre con guías al momento ejercido por la tensión en la guía, ver figura de abajo.
89
Lo bonito de usar una torre con guías es que todo el momento de doblaje de la torre es absorbido por las guías. No hay necesidad de meter el tubo de la torre en el suelo cuando se usan guías. Sólo necesita de una plataforma para nivelarse y no hundirse en el t erreno (si este es un terreno flojo).
90
Manos a la Obra en el Levantamiento La manera más simple y común para una torre de un aerogenerador pequeño es la de un tubo con guías. El tubos de acero son fáciles de trabajar, ligeros para levantar y fáciles de cortar, taladrar y soldar. Los depósitos de chatarra son una buena fuente para poder encontrar tubos de acero de todos los tamaños. La tabla de abajo muestra las medidas apropiadas para diferentes tamaños de aerogeneradores. Tamaño del Tubo y Diámetro del Rotor Diámetro Rotor Ancho Nominal Aerogenerador Tubo 1 metro Pulgada y media 2 metro Dos pulgadas 3 metro Cuatro pulgadas 5 metro Seis pulgadas
Diámetro del tubo Real 48.3 mm 60.3 mm 114.3 mm 165.1 mm
Nunca te confíes de la parte roscada del tubo, ya que se puede romper fácilmente con fuerzas de tensión. Puedes hacer una simple pero efectiva corona de orientación colocando una pieza de tubo más grande en la punta de la torre. La figura de abajo muestra los detalles de soldadura para la construcción de la corona de orientación.
91
Nota que el cable simplemente sube por en medio del tubo, y la punta puede ser cubierta por una simple botella de plástico. No es de mucha tecnología, pero funciona bastante bien. La montura del alternador va a depender del alternador que se esté usando. Algunas reglas para un tubo guiado: 1. Las guías de hasta arriba tienen que ir lo más cerca posible de la punta de las aspas. Mientras más abajo estén las primeras guías, más probable es que la torre se flexione. Pero ten cuidado, recuerda que las aspas se mueven hacia delante y hacia atrás por la fuerza del viento, ten cuidado de que no vayan a chocar con las guías. 2. Pon las anclas de las guías lo más lejos posible. Un radio pequeño de la guía significa una guía muy apretada, y esto le transferirá cargas a la torre. 3. Por guías a cada 3 metros desde la base hasta lo más alto que puedas. El número mínimo de guías que tienes que usar en cada nivel es de 3, pero 4 es un número más conveniente. Si estas usando materiales muy barato, hasta 8 guías sería conveniente que pusieras por nivel. Materiales para las guías Para un aerogenerador pequeño (de un metro de diámetro), cuerda de fibra son lo ideal para las guías. Cuerda de polipropileno azul es muy barata, fuerte y fácil de usar. Asegúrate de aprender nudos fuertes, y mantén a animales lejos de ellas, les encanta morder estas cuerdas. Cable para cercas es un material muy barato, ideal para usarlas de guías en turbinas de alrededor de 2.5 metros de diámetro. Pero se necesitan herramientas y habilidades especiales para trabajar con estos cables. La cuerda de alambre es la mejor opción para las guías para máquinas muy grandes o personas poco experimentadas. Cómpralas de un distribuidor especial que te pueda proveer de todo lo necesario, incluyendo grilletes para su aseguramiento. Tu distribuidor también estará dispuesto a cortar los cables en diferentes longitudes, con un ojo engarzado en una de las puntas. La práctica normal es dejar el otro lado liso. Sin embargo, es más barato hacer tus propias guías, cortando la cuerda con un martillo y un cincel, y colocando los ojos en los dos lados tu mismo. Para hacer un ojo en la punta de una cuerda de acero flexible, necesitarás un dedal de cuerda como el de la imagen de arriba. Este dedal es un aparato que soporta y protege la parte interna del loop de la cuerda. Los sujetadores (que también vemos en la imagen de arriba) aseguran la cola de la cuerda a la parte principal. Conforme vayas apretando el sujetador, la u ira cortando en la cuerda, por lo que siempre debe de quedar en la parte de la cola de la cuera y no en la línea principal.
92
Para apretar la cuerda usa aparatos como los de la imagen de abajo. Evita los que tienen puntas en forma de garfio, ya que estos tienden a doblarse, son mejores los que tiene terminaciones en forma de hoyo o mandíbula.
Las puntas de hoyo u ojo son ideales para sujetar los grilletes. Inclusive puedes conectar directamente el dedal de cuerda que hicimos más arriba directo al ojo. Las terminaciones en forma de mandíbula también son muy útiles, ya que es muy fácil insertar el dedal, o ajustar la mandíbula a una placa con agujeros. Un sola placa de acero en el ancla puede sujetar muchos aparatos de sujeción, uno para cada guía, como podemos ver en la imagen de abajo.
93
94
Si no puedes costear estos sujetadores especiales, dos M12 galvanizados son una buena opción, ajustadas a una barra de acero enterrada bajo el suelo, ver figura de abajo.
La cuerda guía no requiere de un dedal para este tipo de arreglos. También puedes evitar usar dedal al final de la cuerda pasando esta alrededor de la torre en vez de usar un grillete. Anclas Bloques de concreto
La mejor ancla es una masa de concreto reforzado en el suelo. Un metro cúbico de concreto pesa alrededor de dos toneladas, y esto es adecuado para rotores de hasta 3 metros de diámetro (aunque es recomendable hacer tus propios cálculos basándote en el radio real de la guía). Las anclas de concreto usualmente se hacen en donde se van a usar usando concreto ya fabricado que se vacía en un hoyo en el suelo. Necesitas varillas de refuerzo en la parte superior y en los lados. No deben de salir del bloque de concreto porque se corroerían, ver figura de abajo.
95
Se debe colocar una varilla como la de la imagen dentro del ancla de concreto que servirán para sujetar las guías. La varilla de sujeción dentro del concreto debe apuntar hacia el centro de gravedad de este. Peso Muerto Un objeto enterrado (conocido como peso muerto) es una excelente ancla. Las cuerdas de alambre y los alambres para cercas no son adecuados para ponerse por debajo de la tierra porque sufrirían de corrosión. Necesitarás algo grueso. Las guías son agarradas a una cadena que sale del ancla enterrada hacía la superficie. Realiza un agujero y coloca una pieza de tubo de acero. La profundidad del agujero depende de las fuerzas involucradas, pero entre medio metro y un metro son una distancia apropiada. Si no estás seguro cuando puede aguantar tu ancla enterrada es recomendable que hagas pruebas de carga al ancla de peso muerto. Postes de Cercas y Similares Para aerogeneradores de menos de 2.5 metros diámetro con ángulos de guía superiores al alto de la torre, simplemente puedes usar postes que ya están sujetos al suelo como anclas. Cuanto aguanten dependerá exclusivamente del tipo de suelo que se trate. Torres Tilt-Up En las torres tilt-up las bisagras se ponen al ras del suelo para un levantamiento más fácil. Usa un poste grúa para proporcionar un radio suficiente para la cuerda de levantamiento. Algunas torres necesitarán muchas cuerdas del poste grúa para evitar que la torre se balancee a la mitad del levantamiento.
96
Las dos figuras de abajo nos muestran bisagras típicas para el levantamiento de torres. No olvides dejar un espacio para que el cable pueda salir.
Guiando la Torre Titl-up Necesitarás cuatro anclas de guía, espaciadas igualmente a los ángulos correctos, ver figura de abajo. Las dos anclas en línea con las bisagras de la torre son llamadas anclas laterales (también son usadas para guiar el poste grúa. El ancla desde la cual jalaras la torre es llamada ancla de levantamiento. El ancla en donde descansa el aerogenerador es llamada ancla trasera. Si el terreno tiene inclinación, las anclas laterales deben de estar a la misma altura que la base de la torre, el ancla de levantamiento en la parte más baja del terreno y en ancla trasera en la parte alta, ver figura de abajo. 97
Poniendo la línea de bisagras derecha La línea entre las dos anclas laterales debe de pasar exactamente por la bisagra, no al centro de la base de la torre, si la bisagra no está en ese punto, como pasa generalmente. Esto es más importante que en nivel exacto de la anclas. Si esta línea no esta derecha, entonces las guías laterales se apretarán antes que la torre este completamente vertical. Esto es potencialmente peligroso. Se producen fuerzas muy grandes, y las personas involucradas generalmente no prestan atención a las guías laterales, sino a la cuerda de levantamiento y al aerogenerador. Las guías laterales se pueden apretar tanto que se pueden llegar a romper con consecuencias desastrosas.
98
Longitud del poste grúa
Mientras más largo sea el poste grúa más fácil será levantar la torre, así que hazlo tan largo como puedas y sea conveniente. Si el radio de la guía es menor que el alto de la torre, entonces haz al poste grúa tan largo como para alcanzar el ancla de levantamiento, así sólo necesitarás agarrar el poste al ancla junto con las guías, ver figura de arriba. Sugerencias para un levantamiento seguro La seguridad debe de ser lo principal. Toma las cosas con calma. Si se requiere de mucha fuerza para levantar entonces estás haciendo algo mal. • • • •
•
•
• • • •
•
Asegúrate que las anclas laterales están en línea u niveladas con la bisagra Coloca la torre en la posición correcta y ensambla la bisagra a esta Asegura las guías laterales a las anclas laterales y ajústalas Coloca el poste grúa en la línea de la bisagra y asegura las guías de este a la torre antes de levantar el poste grúa. Encuentra la longitud apropiada de las guías traseras, midiéndolas con las guías laterales y ajústalas al ancla trasera. Ajusta todas las guías restantes a la torre y que estén listas para ajustarlas a el ancla de levantamiento después de que la torre se levante. Revisa todo exhaustivamente, en especial la parte del levantamiento. Sería bueno usarás una cuerda trasera para controlar la torre. Levanta la torre sin el aerogenerador como prueba de que todo esté bien. Levanta despacio sin sacudir. Para de vez en cuando, y revisa las tensiones de las guías. Nadie debe caminar por debajo de la torre durante su levantamiento. Cuando estés a punto de finalizar, para y revisa las guías traseras para que no estén enredadas o torcidas en ningún sentido.
99
•
Ajusta todas las guías hasta que estés satisfecho antes de bajar la torres y colocarle el aerogenerador.
Ajustando las guías Todos los sujetadores en las anclas de los que hablamos más arriba deben de estar totalmente extendidos. Si hay más de un juego de guías empieza por ajustar las que están más abajo. Coloca un nivelador contra la torre. Cuando la parte de bajo de la torre esta vertical todo está bien. Algunas guías necesitarán ser apretadas. Ajusta una a la vez. No pongas tensión extra en las cuerdas, ya que esto crea cargas innecesarias a todo el sistema. Cuando todas las guías estén apretadas con tu propia fuerza y la torre este vertical, esa es la tensión correcta. Es importante señalar que debes de soalt un poco una guía contraria antes de apretar otra. Jalando con un vehículo Esta es una forma atractiva de levantar cosas, porque la mayoría de las personas tiene un vehículo disponible sin costo extra. Pero al hacerlo de esta manera debes ser aún más cuidadoso. El principal problema es que el vehículo se mueve muy rápido, por lo que aquí hay unas sugerencias si lo vas a hacer de esta manera: Usa postes grúa largos Usa un sistema de poleas Usa vehículos con cambios de velocidades bajos, como un camión • • •
Hemos llegado al fin Por fin después de mucho trabajo y cálculos tenemos nuestro aerogenerador funcionando, y cuando veas que la energía empieza a cargar tu batería, será la mejor satisfacción del mundo. Espero hayas disfrutado de este conciso y completo curso para construir tu propio aerogenerador.
100
Capitulo 9 : Ecuaciones de Energía Eólica Estas ecuaciones están diseñadas para funcionar mejor en una computadora. • • •
* significa multiplicar por / significa dividir por ^ significa a la potencia, Variable
Símbolo Unidad Ecuación o Notas Pi Pi NA Pi=3.1416 Densidad del Aire rho Kg/m^3 Rho=1.2 Coeficiente Energía Cp NA CP<0.6, digamos 0.15 Velocidad del viento V m/s Ejemplo: 10 m/s Diámetro D metros D=(P/(Cp*rho/2*Pi/4*V^3))^0.5) Energía P watts P=Cp*rho/2*Pi/4*D^2*V^3 Velocidad Media Vm m/s Vm=alrededor de 5 m/s Energía Media Pm watts Pm=0.14*D^2*Vm*3 (approx.) Velocidad en Punta de Aspa tsr NA Tsr=rpm*Pi* D/60/V Velocidad del eje rpm Rpm Rpm= 60*V*tsr/(Pi*D) DISEÑO DEL ASPA Radio Rs metros Distancia del eje central No. de Aspas B NA 3 es lo major Coeficiente de Elevación CI NA CI= 0.8 por ejemplo Ángulo de Ataque Alpha grados Alpha= 4 por ejemplo (lo ideal) Ángulo de Ajuste Beta grados Beta=ATAN(D/3/Rs/tsr)*57.3-Alfa NOTA: ATAN es una función de software para expresar el ángulo en radianes Ancho de Cuerda Cw m Cw=1.4*D^2/Rs*COS(Beta/57.3)^2/tsr^2/B/CI ALTERNADORES Número de Polos Np Número par Np=120*f/rpm Frecuencia f Hz f=Np*rpm/120 Distancia de espacio de aire Lgap m Distancia paralela al eje Diámetro del espacio de aire Dgap m Dgap=radio del eje*2 Área del espacio de aire Agap m^2 Agap=Lgap*Pi*Dgap Velocidad de Corte Crpm rpm Crpm=12 volts velocidad de corte Número de Bobinas Nbobinas Nbobinas=# de bobinas en serie Vueltas/bobina Nvueltas Nvueltas=1200/Agap/Crpm/Nbobinas NOTA: esto es sólo una aproximación. Incrementa en un 50% para espacios de aire muy largos PERDIDA DE COBRE EN CABLES Diámetro del Cobre Wdiam mm Wdiam=diámetro del cable Área de Cobre Warea mm^2 Waarea=Wdiam^2*0.785 Longitud de cable doble Tcl m Si se investiga el cable Longitud de cable simple Swl m Swl=Tcl*2 (o longitud cable en bobinas) Resistencia Cable simple Swr ohms Swr=Swl/Warea/50 NOTA: La Resistencia está en la temp. del cobre = 50ºC se incrementa por factor de 0.004/ºC Corriente I amps I = corriente a través de la bobina Caída de Voltaje Vdrop Volts Vdrop=Swr*I Pérdida de energía Ploss watts Ploss=Vdrop*I COLA DE LA VELETA, FUERZA LATERAL Área de la Veleta Avane M^2 Avane=D^2/40 Fuerza Lateral Fside kg Fside=Avane*V^2/16
101
