07 enero 2012

Guía para la construcción artesanal de una turbina eólica doméstica (2ª PARTE)




Turbina de 1,5 kW en corriente continua para bombear agua en una explotación ganadera

Ver 1ª PARTE


4.      Determinación del lugar para colocar nuestro aerogenerador

La colocación de un generador debe hacerse en un lugar expuesto al viento y preferentemente en lugares donde el régimen de viento sea constante.  

El lugar de instalación de nuestra turbina solar está condicionada por la ubicación de la vivienda y su altura. Si vivimos en un lugar ventoso no tendremos problemas para seleccionar el lugar de instalación, pero si hay menos disponibilidad de viento nos veremos obligados a colocar la turbina sobre edificios elevados o torres altas. En un lugar elevado vamos a tener casi con seguridad suficiente disponibilidad de viento para una pequeña aplicación de aerogeneración.

La torre también evita las turbulencias de aire que podrían existir cerca del suelo, debidas a obstrucciones como colinas, algunas construcciones y árboles. Por regla general se recomienda instalar la turbina en una torre, en la cual la parte inferior del rotor esté a una altura de 9 metros (30 pies) de cualquier obstáculo que se encuentre a una distancia de 90 metros (300 pies) de la torre.

La diferencia de coste que supone instalar la turbina en una torre se compensa ampliamente por el aumento en la generación de energía que vamos a conseguir. Por ejemplo, la diferencia de instalar una turbina a 30, en vez de 18.2 m puede incrementar la inversión en un 10% pero la generación de energía se puede incrementar hasta en un 25%. Las torres en cualquier caso son imprescindibles en lugares con poca disponibilidad de viento.

Dado que el peso que va a soportar la torre es muy pequeño podremos construirla fácilmente usando perfiles de acero circulares o angulares. Podremos elevar bastante la torre si la arriostramos convenientemente.

En lugares con riesgo de huracán una torre abatible es una buena solución para proteger el aerogenerador.
Algunas referencias sobre las tipologías de viento que podemos encontrarnos son las que vemos en la siguiente tabla.

Velocidad del Viento (KmPH)
Término
Descripción
0-5
Calma
El humo sube verticalmente
6-20
Ligero
Se siente el viento en la cara; las veletas giran; las hojas se mueven ligeramente
21-39
Moderado
Levanta polvo; las banderas ondean
40-61
Fuerte
Las ramas grandes se mueven; las sombrilla se vuelven al revés
62 o más
Ventarrón


5.      Determinación de necesidades de energía

Lo primero que debemos hacer es determinar la cantidad de energía que debería producir nuestro generador eólico. Es posible que vayamos a utilizarlo sólo o integrarlo en un sistema híbrido por ejemplo con fotovoltaica. En cualquier caso haremos una estimación de la energía necesaria en la aplicación que vamos a resolver en kWh o en BTU según trabajemos con el sistema métrico o unidades americanas.
Para aplicaciones residenciales, es recomendable definir las necesidades de energía para establecer el tamaño adecuado de la turbina. Debido a que la eficiencia energética es más barata que la producción de energía, aplicando estas prácticas obtendremos mejores resultados de coste / beneficio y como consecuencia se requerirá una turbina de menor tamaño.

En el siguiente enlace disponemos de un calculador que nos permite estimar las necesidades de energía en una vivienda en función de diferentes equipos y un número promedio de uso diario (ver aquí).

A partir de la energía promedio consumida y teniendo en cuanta el régimen de vientos del lugar podemos estimar las necesidades de potencia del generador en kW.

El rango de turbinas pequeñas más recomendables para empezar a construir estos equipos es el que va de 20 a 500 vatios, que pueden emplearse para una gran cantidad de aplicaciones, tales como electricidad doméstica o bombeo de agua. El bombeo de agua en lugares remotos es especialmente propicio para la energía eólica ya que no se requiere almacenar energía.

Una vez que conocemos aproximadamente las necesidades de energía que vamos a suministrar con el aerogenerador es el momento de comenzar a diseñar cada uno de los elementos que conforman el equipo.

6.      Selección del generador

La mayoría de las turbinas eólicas pequeñas se usan para cargar baterías, obteniendo una fuente de energía estacionaria fiable donde la energía eléctrica no está disponible. El primer paso para fabricar nuestra turbina eólica es seleccionar el generador correcto.

Los generadores eléctricos son por definición dispositivos que convierten energía mecánica en energía eléctrica. La energía mecánica puede proceder de distintas fuentes, por ejemplo química o nuclear y en varios tipos de combustibles, u obtenerse de una fuente de energía renovable como la caída del agua en una central hidroeléctrica o el viento.

En el siguiente enlace podemos ver una animación que muestra cómo trabaja un generador para producir energía eléctrica. Las dos flechas negras muestran la dirección de rotación de la bobina. Las líneas azules representan el campo magnético dirigido del polo norte al polo sur. Las flechas rojas muestran la dirección instantánea de la corriente AC inducida (ver aquí).

Los generadores eléctricos se basan en el principio de inducción electromagnética, según el cual cuando un conductor se mueve relativo a un campo magnético, se induce un voltaje en el conductor.

La cantidad de electricidad que una turbina puede generar, está determinada en una primera instancia, por el diámetro del rotor (diámetro de barrido de las aspas), que define la cantidad de viento que es interceptado por la turbina.

Generador de magnetismo permanente ½  HP

La elección obvia es seleccionar un generador de coche para producir la energía. Sin embargo, esto tiene desventajas. El generador debe girar a muy alta velocidad por lo que deberemos multiplicar la velocidad de giro de las aspas, ya que típicamente solamente giran a algunos cientos de rpm. Esto reducirá la eficiencia y cuando la velocidad del viento sea baja tendremos muy poca energía disponible, y necesitaremos un generador de alta eficiencia para capturarla. Por este motivo casi todas las turbinas eólicas comerciales usan un generador de magnetismo permanente. También puede reutilizarse un motor de magnetismo permanente como generador. El generador es la clave del éxito o fracaso del proyecto, y la parte más difícil de conseguir.


El alternador, principalmente del tipo de rotor de imanes permanentes, presenta muchas ventajas. Su mantenimiento es nulo debido a la total ausencia de piezas en rozamiento. Para una misma potencia es más ligero y económico.

Motor de magnetismo permanente de 30 voltios

Motores DC de magnetismo permanente

Entre las mejores opciones para obtener un generación a bajas revoluciones son los motores servo de magnetismo permanente. Motores que proporcionan 5-10 A para cargar las baterías son realmente muy baratos. La mayoría de esos motores tienen ejes de gran diámetro (~3/4") y cara de montaje de 4 agujeros. El tamaño típico es un diámetro de 4” y 7” de longitud.

Estos motores pueden trabajar con generadores eólicos para cargar baterías de 12, 24 o 48 voltios. Una de las ventajas de usar este tipo de motores como generador es que produce energía en corriente continua de alta calidad – el gran número de polos del conmutador produce baja ondulación que se filtra muy fácilmente.
Veamos cómo se comportan estos motores con un ejemplo:

La constante de un generador medido en voltaje en circuito abierto es 26,5 rpm po voltio, y la resistencia de salida es 1,24 ohmios.

Así si deseamos producir 5 amperios a 12 voltios, necesitaríamos generar un voltaje en circuito abierto de:

12 + (5)(1,24) = 18,2 voltios

Y las rpm requeridas son:

(18,2)(26,5) = 482,3 rpm

Éste es un buen rango para un impulsor de transmisión directa.

Existen muchas marcas y modelos de motores DC de magnetismo permanente que trabajarían bien como generadores. Los motores DC de magnetismo permanente trabajan como generadores, pero no fueron diseñados como tales, así que no serán grandes generadores. Algunos tipos de motores trabajan mejor que otros. Cuando se usan como generadores, los motores generalmen giran mucho más rápido que a su velocidad nominal para producir cerca de su voltaje nominal. Por ello, el motor que estamos buscando debe estar clasificado para un alto voltaje DC, pocas revoluciones por minuto y altas corrientes. Evitaremos por tanto motores de bajo voltaje y altas rpm. Así por ejemplo, un motor de 325 rmp a 30 voltios, cuando se use como generador, se espera produczca a + de 12 voltios a unas rpm razonablemente bajas. Sin embargo, un motor que trabaja a 7200 rpm a 24 voltios probablemente no produzca a 12+ voltios hasta queel generador esté girando a muchas miles de rpm, lo cual es demasiado rápido para una turbina eólica.

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