08 enero 2012

Guía para la construcción artesanal de una turbina eólica doméstica (3ª PARTE)



Ver 2ª PARTE

7.      Multiplicador de velocidad

Otra opción que tenemos es usar un multiplicador de velocidad, de forma que consigamos que la velocidad más lenta del aerogenerador se transmita al eje del generador a mayor velocidad. Estos componentes permiten transmitir un movimiento giratorio entre dos ejes, pudiendo modificar las características de velocidad y sentido de giro. Los ejes pueden ser paralelos, coincidentes o cruzados. Este mecanismo se emplea como reductor de velocidad en la industria (máquinas herramientas, robótica, grúas...), en la mayoría de los electrodomésticos (vídeos, cassetes, tocadiscos, programadores de lavadora, máquinas de coser, batidoras, exprimidores...), en automoción (cajas de cambio de marchas, cuentakilómetros, regulación de inclinación de los asientos...), etc.




Relación de velocidades

Las velocidades de entrada (eje conductor) y salida (eje conducido) están inversamente relacionadas con el número de dientes de las ruedas a las que están conectados (igual que en la transmisión por cadena-piñón) cumpliéndose que:

N1·Z1 = N2·Z2

con lo que la velocidad del eje conducido será: N2=N1·(Z1/Z2)

donde:          

  • N1 Velocidad de giro del eje conductor
  • N2 Velocidad de giro del eje 
  • Z1 Número de dientes de 
  • Z2 Número de dientes del piñón
La relación de transmisión del sistema es:


La principal venta de este sistema es que mantiene la relación de transmisión constante y son componentes silenciosos. No obstante supone un coste añadido y es poco flexible. Si el eje conducido deja de girar lo hará también el conductor, lo que puede producir la rotura de los dientes. Otro inconveniente es que necesita lubricación adecuada para evitar el desgate prematuro de los dientes y educir el ruido de funcionamiento.

8.      Cálculo de la energía producida por el viento

Para construirnos nuestra turbina no necesitamos demasiados detalles sobre la producción de energía que una localidad nos proporcionará. No obstante, para quienes estén interesados en realizar un análisis de detalle vamos a explicar tanto la forma de calcular la energía producida por el viento como la producción de energía eléctrica que podremos obtener.

Cualquier objeto en movimiento tiene una energía cinética y esa es la energía que vamos a recuperar del viento por medio de nuestra turbina. En mecánica clásica, su cantidad E en julios viene dada por la ecuación E = mv2/2, donde m es la masa en kg, y vu es la velocidad en m/s. Las moléculas de aire tienen masa, y cuando están en movimiento, contienen energía cinética que puede convertirse en otra forma de energía para su uso práctico. Un barco de vela transformará la energía cinética en energía mecánica y nuestra turbina eólica la transformará en energía eléctrica.

Cuando las moléculas de aire golpean una superficie de cualquier objeto al que se permite mover, su movimiento se transfiere parcialmente al objeto en movimiento. Particularmente en las turbinas eólicas la energía extraída del aire se mueve a través del área de barrido de las aspas de la turbina.

El siguiente diagrama ilustra el proceso de transferir la energía. Si D es el diámetro de las aspas de la turbina, ellas interceptan el aire en la sección transversal



En un tiempo r, la masa de las moléculas de aire que pasan a través de esta área es:

Donde rho es la densidad del aire (aproximadamente 1,2 kg/m3 a nivel del mar).

Entonces la potencia en vatios E por unidad de tiempo viene dado por:


Nótese que para obtener los resultados en vatios, todos los valores en estas fórmulas deben expresarse en las unidades del SI. Como vemos la potencia disponible en el viento es proporcional al cubo de su velocidad y el tamaño de las aspas de la turbina. Si por ejemplo, se dobla la velocidad, los vatios disponibles se incrementan por un factor de ocho.

La formula de P representa la cantidad de potencia en el tubo imaginario de aire que fluye a través del área de barrido de la turbina. Sin embargo, sólo una fracción de esta energía puede extraerse del aire, no es posible obtenerla toda. De acuerdo con los principios de la física, el límite teórico de la energía eólica que puede transferirse al eje es 59,26 %. A esto se conoce como Límite de Betz. En la práctica, la eficiencia de los rotores fabricados comercialmente van típicamente de 25 a 45 %. Los pequeños modelos domésticos tienden a tener eficiencia en el valor más bajo de este rango.

9.      Cálculo de la producción de una turbina eólica

Los fabricantes dan una estimación de la producción de sus turbinas, pero en la mayoría de los casos son datos inútiles porque se calculan para regímenes de viento demasiado altos. Nosotros podemos calcular la producción de energía anual de distintas formas y obtener aproximadamente la energía que vamos a conseguir con nuestro aerogenerador.

Vamos a darnos cuenta que conocer exactamente los kWh que obtendremos con un aerogenerador no es una cuestión demasiado sencilla. El mayor problema se debe a las dificultades para conocer el régimen de viento de una localidad y sobre todo la velocidad del viento, que como veremos condiciona muchísimo la producción de energía.
Procedimiento 1
Podemos usar la siguiente ecuación:


Donde (unidades americanas):

 AEO = Producción anual de energía (kWh/año).
D = Diámetro del rotor, pies
 V = Velocidad del viento promedio anual, en millas por hora, en la localidad.

Podemos encontrar mucha información sobre recursos eólicos en internet (ver aquí para España), y a partir de estas referencias generales haremos una estimación global de la energía que podemos obtener.

Si estamos en España usando como referencia el mapa eólico nacional podremos hacer una estimación preliminar del recurso eólico. No obstante, debemos indicar que hay muchas variaciones a nivel local, sobre todo si estamos en un lugar elevado obtendremos casi con seguridad un buen recurso eólico.


Mapa eólico nacional

Para Estados Unidos podemos encontrar información sobre los regímenes de viento en el siguiente enlace, también es interesante el atlas de recursos eólicos (ver aquí) y para Canadá los encontraremos aquí.

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