10 enero 2012

Guía para la construcción artesanal de una turbina eólica doméstica (4ª PARTE)

Ver 3ª PARTE
Procedimiento 2
El cálculo de la energía que necesitamos es algo más habitual, pero no lo es averiguar la potencia que nos producirá la turbina en función de la longitud de las aspas. Éste es un aspecto crítico en el diseño pues cuanto más equilibrada esté el generador con la capacidad de producir energía con las aspas mucho mejor. Esto vamos a poder hacerlo de una forma muy sencilla utilizando un calculador que nos realiza los cálculos de forma automática.

El cálculo que proponemos nos permite determinar cómo se comportará nuestra turbina eólica ante diferentes opciones de velocidad de viento y teniendo en cuenta distintas configuraciones. Probando distintos cálculos nos podemos hacer una idea de la energía eléctrica que podemos ir produciendo con el diseño que vamos a construir. Veamos cómo debemos operar.

  •  En primer lugar seleccionaremos el número de aspas de la turbina, en principio recomendamos elegir tres.
  • Estimamos el ratio de velocidad en punta (TSR).  En una turbina de 3 aspas estaría entre 6 y 8, por lo que podemos utilizar 7.
  • Eficiencia del aspa. La eficiencia viene determinada por el diseño del aspa y por el número de aspas. En una configuración de tres aspas podemos usar 0,35 en los cálculos.
  • Radio de las aspas. El radio de las aspas lo seleccionaremos arbitrariamente. Recomendamos que en estos modelos pequeños nos movamos entre 0,5 y 1 m. A partir de una configuración fija podemos ir probando diferentes tamaños de aspas para determinar la potencia que nos interesa en nuestra aplicación. Debemos tener en cuenta que unas aspas pequeñas someterán a pocas tensiones al eje del generador, que sin embargo pueden ser grandes en las aspas de mayor tamaño.
  • Velocidad del viento. Aquí consideramos la velocidad del viento que nos proporciona la energía en los cálculos. Es importante que hagamos varias estimaciones. En primer lugar conocer las velocidades máximas para saber como se comportará el generador. En segundo lugar, las velocidades más comunes en el área donde colocaremos el generador porque así podremos estimar la energía en kWh que realmente obtendremos.

El calculador es muy fácil de utilizar y está disponible online en el siguiente enlace.

Sobre estas ecuaciones también podemos indicar que la influencia de la V3 es muy grande en la producción de energía pero también resulta engañosa. En efecto, un determinado lugar puede tener vientos fuertes durante periodos relativamente cortos de tiempo y ello provoca que el cubo de la velocidad sea muy alto, y la producción teórica total sea muy grande. Sin embargo, otra localidad con velocidades menores pero constantes parecería un lugar menos propicio porque la velocidad al cubo daría un valor mucho menor.
 
Paradójicamente la segunda localidad sería más propicia para nuestro proyecto pues estaríamos produciendo energía de una forma más constante, una energía que no olvidemos tenemos que ir almacenando. Si superamos la capacidad de almacenamiento del banco de baterías estaremos perdiendo toda la energía que se genera y eso es fácil si el régimen de vientos es alto pero discontinuo.
Procedimiento 3
La potencia nominal de un generador eólico puede resultar engañosa porque generalmente se diseñan para una producción máxima de energía a altas velocidades del aire. Es decir, los fabricantes clasifican sus sistemas por la cantidad de energía que puede producir a una velocidad de viento alta, típicamente entre 10,5 m/s y 16 m/s. Pero en la realidad, en la mayoría de las áreas raramente se consiguen esas velocidades. Nótese que la energía disponible es proporcional al cubo de la velocidad, así que incluso una pequeña disminución de la velocidad supone una gran caída en la producción de energía. Una turbina clasificada por ejemplo a 5.000 vatios a 30 mph sólo producirá 625 vatios o menos a 15 mph.

Además de la potencia nominal, los fabricantes de generadores eólicos también proporcionan la denominada Curva de Potencia o Gráfico de rendimiento, que proporciona la producción en vatios o kw como una función de la velocidad instantánea del viento.

Estas curvas en forma de S comienzan con cero a una cierta velocidad de corte.

Un método más preciso que puede aplicarse una vez se conoce en detalle el comportamiento de la turbina se basa en la densidad de potencia para varias clases de potencia eléctrica. Cada clase representa un rango de densidad de potencia basado en el análisis computacional de datos históricos.

En el siguiente enlace encontramos un calculador de energía eólica que trabaja según este procedimiento (ver aquí).
Ejemplos de cálculo
Con lo visto hasta ahora estamos en condiciones de calcular la producción de la turbina en diferentes condiciones. Ya que la fórmula del procedimiento 1 viene en unidades imperiales hemos preparado una pequeña herramienta Excel que nos ayudará a hacer los cálculos en el sistema métrico. Cambiando diferentes diámetros del rotor y velocidades del viento obtendremos la producción mensual que conseguiremos con la turbina eólica.

En la siguiente gráfica vemos la producción mensual que obtenemos con la turbina eólica en diferentes opciones de diámetros de rotor y en tres escenarios de velocidad del viento promedio (4, 6 y 8 m/s).

La opción de 4 m/s la obtenemos en lugares con poco viento, y como vemos tendremos que ir a diámetros de rotor superiores de 2 m para conseguir una energía apreciable. La opción de 6 m/s es la de un lugar bastante ventoso pero tampoco vientos excesivos. Aquí podremos conseguir gran parte o toda la energía que necesitamos en la vivienda y con diámetros de aspas no muy grandes. Una turbina con un diámetro de 2,5 m nos permite un ahorro del 66 % en la factura eléctrica de una casa, y esa turbina no es demasiado complicada de fabricar.

También hemos colocado la opción de 8 m/s, que se da en lugares muy expuestos, y ahí vemos que con un rotor de diámetro 2 metros tendremos toda la energía que necesitamos.

Para aplicaciones de menor consumo como bombeo de agua o viviendas de fin de semana es bastante fácil obtener energía en casi cualquier sitio. En las viviendas de fin de semana si que necesitaremos un buen banco de baterías para que vaya cargando a lo largo de toda la semana, y con una turbina artesanal podemos conseguir la energía necesaria con bastante facilidad. En estos sitios es conveniente también un apoyo de energía fotovoltaica, que complementa muy bien a la energía eólica pues la producción suele ser máxima en horas el  de calma.


Ejemplos de cálculo de producción

A la vista de este ejemplo pensamos que en la mayoría de los lugares es prudente construir una turbina de unos 2 m de diámetro como mucho. No ejerceremos demasiada tensión sobre las aspas y producirá una cantidad de energía bastante significativa.

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