11 enero 2012

Guía para la construcción artesanal de una turbina eólica doméstica (5ª PARTE)

Ver 4ª PARTE

10.      Diseño de las aspas

Una vez hemos estimado el generador eólico será el momento de diseñar las aspas, construirlas y probarlas. Según nos esmeremos más o menos el aerogenerador será más o menos eficiente.

Un diseño preliminar de las aspas de la turbina podemos hacerlo a partir del siguiente enlace. Variando la potencia, la velocidad y el número de aspas gráficamente obtenemos un diseño preliminar. En este otro enlace encontramos software gratuito para el diseño de aspas y en este otro encontraremos un tutorial con una descripción más detallada sobre el cálculo de aspas.

Antes de nada debemos decidir cuantas aspas montaremos en nuestra turbina. La elección más común es optar por las tres aspas puesto que dos aspas producen ruido por los desequilibrios. Cuatro aspas son convenientes en localidades donde el viento sea escaso.

Si diseñamos un aerogenerador casero realmente no tendrá demasiada importancia el diseño del aspa, pero si es importante su resistencia al viento. Un diseño como el que vemos en la siguiente figura nos parece interesante para un generador de pequeño tamaño pues es resistente y fácil de hacer.


Ejemplo de las dimensiones de un aspa


Nótese que al aumentar el rotor lo hace la potencia pero disminuye la velocidad de giro

La construcción de las aspas podemos hacerla de diferentes formas, cuidado sobre todo usar un sistema que sea resistente y fijando bien las aspas para evitar que pudieran salir despedidas. ¡Este riesgo es importante! Debemos tener en cuenta que los sistemas de apriete convencionales como los tornillos es fácil que se aflojen como consecuencia del movimiento continuo al que las aspas están sometidas. También debemos pensar que los aerogeneradores pueden en ocasiones tener que soportar vientos intensos o incluso huracanados y las aspas convertirse en elementos muy peligrosos. Debemos ser por tanto cuidadosos con el sistema de fijación, que además deberá revisarse periódicamente en un diseño artesanal.


Aspas de madera

Las buenas noticias sobre las aspas son que si las construimos suficientemente ligeras funcionarán bastante bien elijamos el material que elijamos. En lugares donde tengamos buena disponibilidad de materiales es muy posible que podamos adquirir aspas ya construidas, aunque no es necesario ya que realmente podemos construir un aspa artesanal casi con cualquier material. Hay múltiples diseños de aspas, debemos buscar que sean estrechas pero no demasiado porque entonces girarán a menor velocidad en punta. Debido a su bajo número de Reynolds deberemos elegir cuidadosamente el perfil y que además sea bastante fino.

El material que más nos gusta para una turbina eólica artesanal es la madera, ya que las aspas construidas en madera funcionan bastante bien y es fácil construirlas en cualquier lugar. Antes de nada decir que podemos seleccionar cualquier madera pero debe estar lo suficientemente seca. La madera tarda varios años en secarse completamente y si utilizamos madera verde es probable que las aspas se acaben deformando.

Para un mejor ángulo de ataque el grosor de la madera debe ser lo menor posible, siempre menor de 5 cm en pequeñas turbinas.

Para mejorar el equilibrio del generador recomendamos un diseño tripala como el que mostramos en la siguiente figura.

El extremo de la pala también debe tener forma redondeada, para ofrecer menos resistencia al aire en su movimiento de rotación (es la parte de la pala que más velocidad tangencial adquiere).

Hay que pesar de vez en cuando las palas para conseguir que tengan el mismo peso y además la misma posición de sus centros de gravedad. Para saber la posición del centro de gravedad de una pala, se coloca basculando encima del borde de una lámina de algún material, como aluminio o hierro. Cuando la pala se mantiene horizontal, el centro de gravedad esta justo en la parte donde apoya sobre el borde de la lamina aluminio o hierro. De esta forma podemos ir equilibrando la configuración pues si los pesos o centros de gravedad no son coincidentes estaremos sometiendo a tensiones excesivas al generador.






Si no tenemos la posibilidad de fabricar las aspas en madera podemos hacer unas aspas sencillas usando tuberías ABS. Usemos un material u otro es necesario prepararlo para que quede uniforme y bien aerodinámico



Material para construir aspas básicas


Buje y aspas

11.      Resistencia de las aspas

Otra cuestión que puede ser interesante es calcular la resistencia de las aspas para determinar el riesgo de rotura ante vientos intensos. Veamos un ejemplo de cálculo de unas aspas de madera de pino.

Los principales esfuerzos en las aspas de una pequeña turbina eólica se presentan como fuerzas centrífugas. La fuerza centrífuga en las palas, cuando éstas están girando a velocidad máxima (aproximadamente 500 rpm) será aproximadamente 100 veces el peso de la pala. Si la pala pesa 0’78 kg, entonces, la fuerza centrífuga estará sobre 0,8 kN (equivalente a 80 kg de peso) a esta velocidad. A 1000 rpm la fuerza será equivalente a 320 kg. Esta velocidad podría presentarse si el sistema de giro de la cola no trabaja correctamente.

Estos esfuerzos debidos a la fuerza centrífuga suponen al aspa un esfuerzo de tracción axial que en el caso más desfavorable de 1000 rpm genera un esfuerzo de 3136 N (320 kp), por tanto para una sección media de la pala de 11,575 cm2 se soportan tensiones de 2,7 MPa, un valor aproximadamente la mitad de la tensión que soporta la madera de pino a tracción axial (entre 5 y 6 MPa).

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