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| 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 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)
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Término
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Descripción
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0-5
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Calma
|
El humo
sube verticalmente
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6-20
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Ligero
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Se siente
el viento en la cara; las veletas giran; las hojas se mueven ligeramente
|
21-39
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Moderado
|
Levanta
polvo; las banderas ondean
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40-61
|
Fuerte
|
Las ramas
grandes se mueven; las sombrilla se vuelven al revés
|
62 o más
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Ventarrón
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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.
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.
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| 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.
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| 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.
Ver 3ª PARTE
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