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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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