12 enero 2012

Guía para la construcción artesanal de una turbina eólica doméstica (6ª PARTE)


Los molinos de viento llegaron a España en el siglo XVI


12.      Construcción detallada de aspas de madera

La mayoría de los aficionados a la construcción de aerogeneradores se conformarán con un aspa sencilla y los resultados probablemente sean buenos pero podemos intentar ir más allá y buscar un diseño “casi” profesional.

Antes de nada decir que si bien la madera ha sido sustituida en la construcción de aspas por materiales compuestos y especialmente por fibra de carbono, la experiencia en la fabricación de aspas de madera para obtener energía del viento viene de una tradición de siglos pues aparecieron en el siglo XI para moler el trigo a partir del viento. 

Al diseñar unas aspas podemos decidir el valor del ratio de velocidad en punta, tip speed ratio, de las aspas del rotor. El TSR es lo rápido que girará la punta del aspa. Altos TSR significan más velocidad, bajos TSR necesitan más aspas. Es bueno un TSR pero no hasta el punto de que la máquina sea ruidosa y sometida a tensiones.

En la siguiente figura vemos cuatro opciones de TSR o λ.


El proceso para diseñar y construir unas aspas de madera es el siguiente:

1)      Definimos la forma de las aspas según indicamos en la siguiente figura:

2)      Calculamos la anchura de la madera a partir de la siguiente hoja de cálculo (descargar aquí). Aquí calculamos las “estaciones” y la anchura de la madera en las estaciones. Ver la figura siguiente:


Cálculo de la forma del aspa
3)      En la siguiente figura vemos como se marcan las estaciones en el aspa para realizar posteriormente su talla.

Marcado de las estaciones del aspa

4)      El siguiente paso es unir las marcas para obtener la curva.




5)      Posteriormente la madera se talla con un formón o escoplo, o con lijadora o un cepillo eléctrico.





La secuencia completa del proceso puede consultarse aquí y aquí.

13   Acabado de las aspas

Para el correcto acabado de las aspas debemos protegerlas usando revestimientos como aceites basados en resinas epoxi.

14.  Equilibrado de las aspas

Si bien todo el proceso de la construcción de un aerogenerador es importante, hay uno que resulta crucial. Sin un equilibrado adecuado, la máquina mostrará signos de inestabilidad, afectando al rendimiento y seguridad. Unas aspas desequilibradas originarán un rápido desgaste en los rodamientos, funcionar ruidosamente, parar prematuramente e incluso romperse.

Hay varios aspectos a considerar en el equilibrado de las aspas del generador. Preferiblemente el eje de rotación de las aspas debe girar exactamente el centro exacto del círculo descrito por las aspas. Debe ser necesario medir la distancia de las puntas de cada una a otra, y estar seguro que están equidistantes. Una forma interesante de equilibrar las aspas es colocarlas en forma de sandwich entre dos círculos exteriores de madera de diámetro aproximado ≈ 11” en diámetro.



15.  Conexión de las aspas al generador

Para la sujeción del generador a la estructura principal, y mantener el movimiento de rotación, puede utilizarse un buje de coche. Puede usarse por ejemplo el buje del  eje trasero de un utilitario tal como SEAT Ibiza, y una vez dispongamos del buje diseñamos los agujeros y elementos de ensamblaje del conjunto (tuercas, tornillos, varilla roscada). Todo ello se tiene en cuenta se han tenido en cuenta a partir de conocer el buje.


Buje de un SEAT IBIZA
El eje del generador, es un elemento fundamental del conjunto del generador ya que sobre el eje va montado el buje y sobre éste los dos rotores. El eje es la pieza de acero que se ajusta a la montura del buje permitiendo que ésta sea el soporte del generador y a la vez permita el giro del buje (con los rotores) montado al eje sobre cojinetes que permiten el giro del buje. No hace falta construir el eje, ya que viene incorporado al buje, de manera que al disponer de un buje, ya se dispone de su eje correspondiente de acero, perfectamente conformado.

Otra forma de disponer las aspas (de madera) en el buje es la indicada en la siguiente figura.



Disco perforado

16.  Regulador y control  de carga

Regulador de carga de una turbina eólica

El regulador de carga es un equipo imprescindible cuando cargamos baterías con aerogeneradores o paneles fotovoltaicos. Su finalidad principal es proteger las baterías ante las cargas fluctuantes producidas en la generación. Los reguladores de carga se usan con frecuencia para prevenir que las baterías se sobrecargan cuando están siendo cargadas por un generador fotovoltaico. Para las instalaciones eólicas el controlador de carga solar no puede ser usado con el generador de la turbina eólica ya que el controlador de la turbina eólica debe asegurar que la turbina eólica está constantemente bajo carga para prevenir que gire fuera de control (sobrevelocidad) y sea dañado con los altos vientos.

Muchos controladores de carga eléctrica eólica se integran en la misma caja que los rectificadores (convertidores AC-a-DC).

El aerogenerador utiliza un regulador que además debe incorporar una derivación de la energía producida que la batería no pueda aceptar, y disiparla en una carga externa.  

Las cargas de derivación absorben el exceso de generación. Para un generador pequeño pueden usarse resistencias del rango de 0,5 kW. Se necesita una protección por sobrecorriente entre la carga externa/controlador y las baterías.

Hay muchos reguladores electrónicos comerciales pensados para trabajar con aerogeneradores, con circuitos particulares que evitan pérdidas y los armónicos que se producen ante el amplio rango de tensiones de trabajo.

Otro objetivo de los  sistemas electrónicos para aerogeneradores consisten en proporcionar un circuito en el que se puedan efectuar cambios de parametrización de funcionamiento sin necesidad de contacto presencial en la correspondiente instalación, y en facilitar elementos que permitan una adaptación a las condiciones de trabajo del aerogenerador. También es posible permite regular parámetros y adecuar tensiones y corrientes eléctricas de trabajo, proporcionadas por el aerogenerador, para optimizar la energía que se lleva a un equipo receptor tal como baterías, inversor de vertido a red u otro, estructurándose en un circuito electrónico cuya entrada se conecta al aerogenerador y cuya salida se conecta al equipo receptor.



Circuito de control de un aerogenerador

En los sistemas de conexión estamos produciendo energía y volcándola a la red, no hay controlador en operación normal, ya que el inversor está vendiendo toda la energía que se produce y no se consume. Pero debe haber alguna función de control en caso de fallo de la red, y puede ser electrónico antes del inversor para regular el voltaje de entrada.

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