Gua para la construccin artesanal de una turbina elica domstica (1 PARTE)

Puedo usar un pequeo generador elico para obtener la energa que necesito en mi casa?

Cada vez es mayor el nmero de personas que se hacen esta pregunta, especialmente aquellas que viven en lugares con un rgimen de viento propicio a la energa elica. La respuesta es afirmativa si vivimos en un lugar en el que el viento aunque sea suave est presente casi todos los das del ao. Con vientos tan bajos como 2,4 m/s pueden arrancar las pequeas turbinas y funcionan perfectamente con velocidades de 8,3 m/S.

La siguiente pregunta que nos haremos es el precio, y es posible que cuando lo consultemos veamos que si bien los precios han cado mucho, an son algo caras para la simplicidad de estos dispositivos. Las ms baratas entre otras cosas no resistirn vientos intensos (> 50 m/s) y las ms robustas nos resultarn ms bien caros.

Las turbinas elicas de calidad y pequeo tamao son caras porque no se aprovechan del factor escala de los proyectos energticos y requieren bastante trabajo manual. Realmente estn formadas por elementos que cuestan poco dinero. Sin embargo, la construccin de una turbina elica domstica es bastante sencilla y a nuestro parecer al alcance de todo aquel con una cierta habilidad para construirse sus propios aparatos. Es ms, si construimos nuestra propia turbina podremos repararla fcilmente en caso de avera y sustituir un aspa que pudiera romperse.

Cierto es que disear una turbina elica domstica, conocer su eficiencia, estimar los resultados que obtendremos, construirla robusta y calcular la potencia terica de nuestro diseo no est al alcance de todos. Sin embargo, es muy fcil fabricarla una vez que la tenemos bien dimensionada y disponemos de todos los componentes.

Para facilitar el diseo y construccin de una turbina elica a personas principiantes con pocos conocimientos tcnicos, pero hacerlo de una forma rigurosa, hemos elaborado esta gua. Creemos que siguiendo estas indicaciones podremos disear nuestra turbina e incluso calcular inicialmente la potencia que podremos obtener. Podremos comprar los materiales adecuados desde el primer momento y conseguir que la turbina funcione correctamente.

En ambientes con buena disponibilidad de viento podremos obtener excelentes resultados fabricndonos una turbina elica. Pero para no tener que aprender a base de pruebas es importante que conozcamos las ideas esenciales sobre el funcionamiento de una turbina elica y aprendamos a calcularla con facilidad.1.Cunta energa podemos producir y cunta necesitamos?Empezar a trabajar con pequeas turbinas elicas es algo sencillo al alcance de casi todo el mundo, pero siempre se plantean algunas preguntas elementales como punto de partida. Lo primero que suele cualquiera preguntarse es cuanta energa podemos producir y cuanta necesitamos para nuestras aplicaciones. Esta pregunta nos la hacen mil veces y no siempre es fcil de entender.

Lo mejor es hablar siempre en kWh, que es la unidad estndar de energa en el sistema mtrico. Podemos mirar nuestra factura de la luz y saber cunta energa estamos consumiendo. Esa es una referencia importante. Como orientacin diremos que en Espaa suele consumirse en torno a los300 kWhuna familia. Esto supone al ao unos3.600 kWh. En Estados Unidos el consumo que debe estimarse es sensiblemente mayor, del orden de 750 kWh al mes.

La siguiente pregunta es el tamao de la turbina que necesitamos, tomando tambin como referencia esa cifra. El tamao de la turbina (las aspas) nos determinar la capacidad del generador y segn la velocidad de giro produciremos una cantidad de energa en kWh al ao.

Como referencia diramos que una turbina de 1,5 kilowatts podra cubrir las necesidades en un hogar que consuma alrededor de 300 kWh al mes en un sitio con 6,26 metros por segundo de velocidad promedio anual. Estos ratios son fiables para muchos lugares de Espaa.2.Instalacin independiente o hbridaCuando alguien se plantea usar energas renovables siempre intenta conseguir una independencia y autonoma total en la instalacin que va a montar. En lugares con un rgimen de vientos constante esto puede ser factible incluso para instalaciones de tamao medio. Si el viento es irregular nos veremos obligados a invertir demasiado en bancos de bateras, en esos casos la opcin ms rentable es un sistema hbrido.

Con un sistema hbrido el aerogenerador estar aprovechando mucha energa pero no ser necesario sobredimensionar la instalacin. Actualmente existen muchas posibilidades para montar estos sistemas y conseguir ahorros muy importantes en la factura elctrica. Tengamos el consumo que tengamos incorporar un sistema hbrido ser siempre una excelente eleccin. Con uno de estos sistemas obtendremos ahorros que van del 50 al 90 %3.Cmo funciona una turbina elica?El viento se genera por un calentamiento irregular de la superficie terrestre por parte del sol. Las turbinas elicas convierten la energa cintica del viento en energa mecnica, la cual acciona un generador que produce energa elctrica limpia. Actualmente, las turbinas elicas son verstiles fuentes de electricidad. Sus alabes o palas tienen un diseo aerodinmico que les permite capturar la mayor cantidad de energa del viento, pues ste las hace rotar, accionando una flecha acoplada al generador y as obtener electricidad.

Ver2 PARTEGua para la construccin artesanal de una turbina elica domstica (2 PARTE)

Turbina de 1,5 kW en corriente continua para bombear agua en una explotacin ganadera

Ver1 PARTE

4.Determinacin del lugar para colocar nuestro aerogeneradorLa colocacin de un generador debe hacerse en un lugar expuesto al viento y preferentemente en lugares donde el rgimen de viento sea constante.

El lugar de instalacin de nuestra turbina solar est condicionada por la ubicacin de la vivienda y su altura. Si vivimos en un lugar ventoso no tendremos problemas para seleccionar el lugar de instalacin, pero si hay menos disponibilidad de viento nos veremos obligados a colocar la turbina sobre edificios elevados o torres altas. En un lugar elevado vamos a tener casi con seguridad suficiente disponibilidad de viento para una pequea aplicacin de aerogeneracin.

La torre tambin evita las turbulencias de aire que podran existir cerca del suelo, debidas a obstrucciones como colinas, algunas construcciones y rboles. Por regla general se recomienda instalar la turbina en una torre, en la cual la parte inferior del rotor est a una altura de 9 metros (30 pies) de cualquier obstculo que se encuentre a una distancia de 90 metros (300 pies) de la torre.

La diferencia de coste que supone instalar la turbina en una torre se compensa ampliamente por el aumento en la generacin de energa que vamos a conseguir. Por ejemplo, la diferencia de instalar una turbina a 30, en vez de 18.2 m puede incrementar la inversin en un 10% pero la generacin de energa se puede incrementar hasta en un 25%. Las torres en cualquier caso son imprescindibles en lugares con poca disponibilidad de viento.

Dado que el peso que va a soportar la torre es muy pequeo podremos construirla fcilmente usando perfiles de acero circulares o angulares. Podremos elevar bastante la torre si la arriostramos convenientemente.

En lugares con riesgo de huracn una torre abatible es una buena solucin para proteger el aerogenerador.Algunas referencias sobre las tipologas de viento que podemos encontrarnos son las que vemos en la siguiente tabla.

Velocidad del Viento (KmPH)TrminoDescripcin

0-5CalmaEl humo sube verticalmente

6-20LigeroSe siente el viento en la cara; las veletas giran; las hojas se mueven ligeramente

21-39ModeradoLevanta polvo; las banderas ondean

40-61FuerteLas ramas grandes se mueven; las sombrilla se vuelven al revs

62 o msVentarrn

5.Determinacin de necesidades de energaLo primero que debemos hacer es determinar la cantidad de energa que debera producir nuestro generador elico. Es posible que vayamos a utilizarlo slo o integrarlo en un sistema hbrido por ejemplo con fotovoltaica. En cualquier caso haremos una estimacin de la energa necesaria en la aplicacin que vamos a resolver en kWh o en BTU segn trabajemos con el sistema mtrico o unidades americanas.Para aplicaciones residenciales, es recomendable definir las necesidades de energa para establecer el tamao adecuado de la turbina. Debido a que la eficiencia energtica es ms barata que la produccin de energa, aplicando estas prcticas obtendremos mejores resultados de coste / beneficio y como consecuencia se requerir una turbina de menor tamao.

En el siguiente enlace disponemos de un calculador que nos permite estimar las necesidades de energa en una vivienda en funcin de diferentes equipos y un nmero promedio de uso diario (veraqu).

A partir de la energa promedio consumida y teniendo en cuanta el rgimen de vientos del lugar podemos estimar las necesidades de potencia del generador en kW.

El rango de turbinas pequeas ms recomendables para empezar a construir estos equipos es el que va de 20 a 500 vatios, que pueden emplearse para una gran cantidad de aplicaciones, tales como electricidad domstica o bombeo de agua. El bombeo de agua en lugares remotos es especialmente propicio para la energa elica ya que no se requiere almacenar energa.

Una vez que conocemos aproximadamente las necesidades de energa que vamos a suministrar con el aerogenerador es el momento de comenzar a disear cada uno de los elementos que conforman el equipo.6.Seleccin del generadorLa mayora de las turbinas elicas pequeas se usan para cargar bateras, obteniendo una fuente de energa estacionaria fiable donde la energa elctrica no est disponible. El primer paso para fabricar nuestra turbina elica es seleccionar el generador correcto.

Los generadores elctricos son por definicin dispositivos que convierten energa mecnica en energa elctrica. La energa mecnica puede proceder de distintas fuentes, por ejemplo qumica o nuclear y en varios tipos de combustibles, u obtenerse de una fuente de energa renovable como la cada del agua en una central hidroelctrica o el viento.

En el siguiente enlace podemos ver una animacin que muestra cmo trabaja un generador para producir energa elctrica. Las dos flechas negras muestran la direccin de rotacin de la bobina. Las lneas azules representan el campo magntico dirigido del polo norte al polo sur. Las flechas rojas muestran la direccin instantnea de la corriente AC inducida (veraqu).

Los generadores elctricos se basan en el principio de induccin electromagntica, segn el cual cuando un conductor se mueve relativo a un campo magntico, se induce un voltaje en el conductor.La cantidad de electricidad que una turbina puede generar, est determinada en una primera instancia, por el dimetro del rotor (dimetro de barrido de las aspas), que define la cantidad de viento que es interceptado por la turbina.

Generador de magnetismo permanente HP

La eleccin obvia es seleccionar un generador de coche para producir la energa. Sin embargo, esto tiene desventajas. El generador debe girar a muy alta velocidad por lo que deberemos multiplicar la velocidad de giro de las aspas, ya que tpicamente solamente giran a algunos cientos de rpm. Esto reducir la eficiencia y cuando la velocidad del viento sea baja tendremos muy poca energa disponible, y necesitaremos un generador de alta eficiencia para capturarla. Por este motivo casi todas las turbinas elicas comerciales usan un generador de magnetismo permanente. Tambin puede reutilizarse un motor de magnetismo permanente como generador. El generador es la clave del xito o fracaso del proyecto, y la parte ms difcil de conseguir.

El alternador, principalmente del tipo de rotor de imanes permanentes, presenta muchas ventajas. Su mantenimiento es nulo debido a la total ausencia de piezas en rozamiento. Para una misma potencia es ms ligero y econmico.

Motor de magnetismo permanente de 30 voltios

Motores DC de magnetismo permanente

Entre las mejores opciones para obtener un generacin a bajas revoluciones son los motores servo de magnetismo permanente. Motores que proporcionan 5-10 A para cargar las bateras son realmente muy baratos. La mayora de esos motores tienen ejes de gran dimetro (~3/4") y cara de montaje de 4 agujeros. El tamao tpico es un dimetro de 4 y 7 de longitud.

Estos motores pueden trabajar con generadores elicos para cargar bateras de 12, 24 o 48 voltios. Una de las ventajas de usar este tipo de motores como generador es que produce energa en corriente continua de alta calidad el gran nmero de polos del conmutador produce baja ondulacin que se filtra muy fcilmente.Veamos cmo se comportan estos motores con un ejemplo:

La constante de un generador medido en voltaje en circuito abierto es 26,5 rpm po voltio, y la resistencia de salida es 1,24 ohmios.

As si deseamos producir 5 amperios a 12 voltios, necesitaramos generar un voltaje en circuito abierto de:

12 + (5)(1,24) = 18,2 voltios

Y las rpm requeridas son:

(18,2)(26,5) = 482,3 rpm

ste es un buen rango para un impulsor de transmisin directa.

Existen muchas marcas y modelos de motores DC de magnetismo permanente que trabajaran bien como generadores. Los motores DC de magnetismo permanente trabajan como generadores, pero no fueron diseados como tales, as que no sern grandes generadores. Algunos tipos de motores trabajan mejor que otros. Cuando se usan como generadores, los motores generalmen giran mucho ms rpido que a su velocidad nominal para producir cerca de su voltaje nominal. Por ello, el motor que estamos buscando debe estar clasificado para un alto voltaje DC, pocas revoluciones por minuto y altas corrientes. Evitaremos por tanto motores de bajo voltaje y altas rpm. As por ejemplo, un motor de 325 rmp a 30 voltios, cuando se use como generador, se espera produczca a + de 12 voltios a unas rpm razonablemente bajas. Sin embargo, un motor que trabaja a 7200 rpm a 24 voltios probablemente no produzca a 12+ voltios hasta queel generador est girando a muchas miles de rpm, lo cual es demasiado rpido para una turbina elica.

Ver3 PARTEGua para la construccin artesanal de una turbina elica domstica (3 PARTE)

Ver2 PARTE7.Multiplicador de velocidadOtra opcin que tenemos es usar un multiplicador de velocidad, de forma que consigamos que la velocidad ms 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 caractersticas 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 (mquinas herramientas, robtica, gras...), en la mayora de los electrodomsticos (vdeos, cassetes, tocadiscos, programadores de lavadora, mquinas de coser, batidoras, exprimidores...), en automocin (cajas de cambio de marchas, cuentakilmetros, regulacin de inclinacin de los asientos...), etc.

Relacin de velocidades

Las velocidades de entrada (eje conductor) y salida (eje conducido) estn inversamente relacionadas con el nmero de dientes de las ruedas a las que estn conectados (igual que en la transmisin por cadena-pin) cumplindose que:N1Z1 = N2Z2

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

donde:

N1 Velocidad de giro del eje conductor N2 Velocidad de giro del eje Z1 Nmero de dientes de Z2 Nmero de dientes del pinLa relacin de transmisin del sistema es:

La principal venta de este sistema es que mantiene la relacin de transmisin constante y son componentes silenciosos. No obstante supone un coste aadido y es poco flexible. Si el eje conducido deja de girar lo har tambin el conductor, lo que puede producir la rotura de los dientes. Otro inconveniente es que necesita lubricacin adecuada para evitar el desgate prematuro de los dientes y educir el ruido de funcionamiento.8.Clculo de la energa producida por el vientoPara construirnos nuestra turbina no necesitamos demasiados detalles sobre la produccin de energa que una localidad nos proporcionar. No obstante, para quienes estn interesados en realizar un anlisis de detalle vamos a explicar tanto la forma de calcular la energa producida por el viento como la produccin de energa elctrica que podremos obtener.

Cualquier objeto en movimiento tiene una energa cintica y esa es la energa que vamos a recuperar del viento por medio de nuestra turbina. En mecnica clsica, su cantidad E en julios viene dada por la ecuacin E = mv2/2, donde m es la masa en kg, y vu es la velocidad en m/s. Las molculas de aire tienen masa, y cuando estn en movimiento, contienen energa cintica que puede convertirse en otra forma de energa para su uso prctico. Un barco de vela transformar la energa cintica en energa mecnica y nuestra turbina elica la transformar en energa elctrica.

Cuando las molculas 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 elicas la energa extrada del aire se mueve a travs del rea de barrido de las aspas de la turbina.

El siguiente diagrama ilustra el proceso de transferir la energa. Si D es el dimetro de las aspas de la turbina, ellas interceptan el aire en la seccin transversal

En un tiempo r, la masa de las molculas de aire que pasan a travs de esta rea es:

Donde rhoes la densidad del aire (aproximadamente 1,2 kg/m3a nivel del mar).

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

Ntese que para obtener los resultados en vatios, todos los valores en estas frmulas deben expresarse en las unidades del SI. Como vemos la potencia disponible en el viento es proporcional al cubo de su velocidad y el tamao 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 travs del rea de barrido de la turbina. Sin embargo, slo una fraccin de esta energa puede extraerse del aire, no es posible obtenerla toda. De acuerdo con los principios de la fsica, el lmite terico de la energa elica que puede transferirse al eje es 59,26 %. A esto se conoce como Lmite de Betz. En la prctica, la eficiencia de los rotores fabricados comercialmente van tpicamente de 25 a 45 %. Los pequeos modelos domsticos tienden a tener eficiencia en el valor ms bajo de este rango.9.Clculo de la produccin de una turbina elicaLos fabricantes dan una estimacin de la produccin de sus turbinas, pero en la mayora de los casos son datos intiles porque se calculan para regmenes de viento demasiado altos. Nosotros podemos calcular la produccin de energa anual de distintas formas y obtener aproximadamente la energa que vamos a conseguir con nuestro aerogenerador.

Vamos a darnos cuenta que conocer exactamente los kWh que obtendremos con un aerogenerador no es una cuestin demasiado sencilla. El mayor problema se debe a las dificultades para conocer el rgimen de viento de una localidad y sobre todo la velocidad del viento, que como veremos condiciona muchsimo la produccin de energa.Procedimiento 1Podemos usar la siguiente ecuacin:

Donde (unidades americanas):

AEO= Produccin anual de energa (kWh/ao).D= Dimetro del rotor, piesV= Velocidad del viento promedio anual, en millas por hora, en la localidad.

Podemos encontrar mucha informacin sobre recursos elicos en internet (ver aqu paraEspaa), y a partir de estas referencias generales haremos una estimacin global de la energa que podemos obtener.

Si estamos en Espaa usando como referencia el mapa elico nacional podremos hacer una estimacin preliminar del recurso elico. 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 elico.

Mapa elico nacional

Para Estados Unidos podemos encontrar informacin sobre los regmenes de viento en el siguienteenlace, tambin es interesante el atlas de recursos elicos (veraqu) y para Canad los encontraremosaqu.

Ver4 PARTEGua para la construccin artesanal de una turbina elica domstica (4 PARTE)

Ver3 PARTE

Procedimiento 2El clculo de la energa que necesitamos es algo ms habitual, pero no lo es averiguar la potencia que nos producir la turbina en funcin de la longitud de las aspas. ste es un aspecto crtico en el diseo pues cuanto ms equilibrada est el generador con la capacidad de producir energa con las aspas mucho mejor. Esto vamos a poder hacerlo de una forma muy sencilla utilizando un calculador que nos realiza los clculos de forma automtica.

El clculo que proponemos nos permite determinar cmo se comportar nuestra turbina elica ante diferentes opciones de velocidad de viento y teniendo en cuenta distintas configuraciones. Probando distintos clculos nos podemos hacer una idea de la energa elctrica que podemos ir produciendo con el diseo que vamos a construir. Veamos cmo debemos operar.

En primer lugar seleccionaremos el nmero de aspas de la turbina, en principio recomendamos elegir tres. Estimamos el ratio de velocidad en punta (TSR).En una turbina de 3 aspas estara entre 6 y 8, por lo que podemos utilizar 7. Eficiencia del aspa. La eficiencia viene determinada por el diseo del aspa y por el nmero de aspas. En una configuracin de tres aspas podemos usar 0,35 en los clculos. Radio de las aspas. El radio de las aspas lo seleccionaremos arbitrariamente. Recomendamos que en estos modelos pequeos nos movamos entre 0,5 y 1 m. A partir de una configuracin fija podemos ir probando diferentes tamaos de aspas para determinar la potencia que nos interesa en nuestra aplicacin. Debemos tener en cuenta que unas aspas pequeas sometern a pocas tensiones al eje del generador, que sin embargo pueden ser grandes en las aspas de mayor tamao. Velocidad del viento. Aqu consideramos la velocidad del viento que nos proporciona la energa en los clculos. Es importante que hagamos varias estimaciones. En primer lugar conocer las velocidades mximas para saber como se comportar el generador. En segundo lugar, las velocidades ms comunes en el rea donde colocaremos el generador porque as podremos estimar la energa en kWh que realmente obtendremos.

El calculador es muy fcil de utilizar y est disponible online en el siguienteenlace.Sobre estas ecuaciones tambin podemos indicar que la influencia de la V3es muy grande en la produccin de energa pero tambin resulta engaosa. 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 produccin terica total sea muy grande. Sin embargo, otra localidad con velocidades menores pero constantes parecera un lugar menos propicio porque la velocidad al cubo dara un valor mucho menor.Paradjicamente la segunda localidad sera ms propicia para nuestro proyecto pues estaramos produciendo energa de una forma ms constante, una energa que no olvidemos tenemos que ir almacenando. Si superamos la capacidad de almacenamiento del banco de bateras estaremos perdiendo toda la energa que se genera y eso es fcil si el rgimen de vientos es alto pero discontinuo.Procedimiento 3La potencia nominal de un generador elico puede resultar engaosa porque generalmente se disean para una produccin mxima de energa a altas velocidades del aire. Es decir, los fabricantes clasifican sus sistemas por la cantidad de energa que puede producir a una velocidad de viento alta, tpicamente entre 10,5 m/s y 16 m/s. Pero en la realidad, en la mayora de las reas raramente se consiguen esas velocidades. Ntese que la energa disponible es proporcional al cubo de la velocidad, as que incluso una pequea disminucin de la velocidad supone una gran cada en la produccin de energa. Una turbina clasificada por ejemplo a 5.000 vatios a 30 mph slo producir 625 vatios o menos a 15 mph.

Adems de la potencia nominal, los fabricantes de generadores elicos tambin proporcionan la denominada Curva de Potencia o Grfico de rendimiento, que proporciona la produccin en vatios o kw como una funcin de la velocidad instantnea del viento.

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

Un mtodo ms 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 elctrica. Cada clase representa un rango de densidad de potencia basado en el anlisis computacional de datos histricos.

En el siguiente enlace encontramos un calculador de energa elica que trabaja segn este procedimiento (veraqu).Ejemplos de clculoCon lo visto hasta ahora estamos en condiciones de calcular la produccin de la turbina en diferentes condiciones. Ya que la frmula del procedimiento 1 viene en unidades imperiales hemos preparado una pequea herramienta Excel que nos ayudar a hacer los clculos en el sistema mtrico. Cambiando diferentes dimetros del rotor y velocidades del viento obtendremos la produccin mensual que conseguiremos con la turbina elica.

En la siguiente grfica vemos la produccin mensual que obtenemos con la turbina elica en diferentes opciones de dimetros de rotor y en tres escenarios de velocidad del viento promedio (4, 6 y 8 m/s).

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

Tambin hemos colocado la opcin de 8 m/s, que se da en lugares muy expuestos, y ah vemos que con un rotor de dimetro 2 metros tendremos toda la energa que necesitamos.

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

Ejemplos de clculo de produccin

A la vista de este ejemplo pensamos que en la mayora de los lugares es prudente construir una turbina de unos 2 m de dimetro como mucho. No ejerceremos demasiada tensin sobre las aspas y producir una cantidad de energa bastante significativa.Gua para la construccin artesanal de una turbina elica domstica (5 PARTE)

Ver4 PARTE10.Diseo de las aspasUna vez hemos estimado el generador elico ser el momento de disear las aspas, construirlas y probarlas. Segn nos esmeremos ms o menos el aerogenerador ser ms o menos eficiente.

Un diseo preliminar de las aspas de la turbina podemos hacerlo a partir del siguienteenlace. Variando la potencia, la velocidad y el nmero de aspas grficamente obtenemos un diseo preliminar. En este otroenlaceencontramos software gratuito para el diseo de aspas y en esteotroencontraremos un tutorial con una descripcin ms detallada sobre el clculo de aspas.

Antes de nada debemos decidir cuantas aspas montaremos en nuestra turbina. La eleccin ms comn 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 diseamos un aerogenerador casero realmente no tendr demasiada importancia el diseo del aspa, pero si es importante su resistencia al viento. Un diseo como el que vemos en la siguiente figura nos parece interesante para un generador de pequeo tamao pues es resistente y fcil de hacer.

Ejemplo de las dimensiones de un aspa

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

La construccin 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 fcil que se aflojen como consecuencia del movimiento continuo al que las aspas estn sometidas. Tambin 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 fijacin, que adems deber revisarse peridicamente en un diseo artesanal.

Aspas de madera

Las buenas noticias sobre las aspas son que si las construimos suficientemente ligeras funcionarn 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 mltiples diseos de aspas, debemos buscar que sean estrechas pero no demasiado porque entonces girarn a menor velocidad en punta. Debido a su bajo nmero de Reynolds deberemos elegir cuidadosamente el perfil y que adems sea bastante fino.El material que ms nos gusta para una turbina elica artesanal es la madera, ya que las aspas construidas en madera funcionan bastante bien y es fcil construirlas en cualquier lugar. Antes de nada decir que podemos seleccionar cualquier madera pero debe estar lo suficientemente seca. La madera tarda varios aos en secarse completamente y si utilizamos madera verde es probable que las aspas se acaben deformando.

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

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

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

Hay que pesar de vez en cuando las palas para conseguir que tengan el mismo peso y adems la misma posicin de sus centros de gravedad. Para saber la posicin del centro de gravedad de una pala, se coloca basculando encima del borde de una lmina de algn 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 configuracin 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 tuberas ABS. Usemos un material u otro es necesario prepararlo para que quede uniforme y bien aerodinmico

Material para construir aspas bsicas

Buje y aspas11.Resistencia de las aspasOtra cuestin que puede ser interesante es calcular la resistencia de las aspas para determinar el riesgo de rotura ante vientos intensos. Veamos un ejemplo de clculo de unas aspas de madera de pino.

Los principales esfuerzos en las aspas de una pequea turbina elica se presentan como fuerzas centrfugas. La fuerza centrfuga en las palas, cuando stas estn girando a velocidad mxima (aproximadamente 500 rpm) ser aproximadamente 100 veces el peso de la pala. Si la pala pesa 078 kg, entonces, la fuerza centrfuga estar sobre 0,8 kN (equivalente a 80 kg de peso) a esta velocidad. A 1000 rpm la fuerza ser equivalente a 320 kg. Esta velocidad podra presentarse si el sistema de giro de la cola no trabaja correctamente.

Estos esfuerzos debidos a la fuerza centrfuga suponen al aspa un esfuerzo de traccin axial que en el caso ms desfavorable de 1000 rpm genera un esfuerzo de 3136 N (320 kp), por tanto para una seccin media de la pala de 11,575 cm2se soportan tensiones de 2,7 MPa, un valor aproximadamente la mitad de la tensin que soporta la madera de pino a traccin axial (entre 5 y 6 MPa).Gua para la construccin artesanal de una turbina elica domstica (6 PARTE)

Los molinos de viento llegaron a Espaa en el siglo XVI

Ver5 PARTE

12.Construccin detallada de aspas de maderaLa mayora de los aficionados a la construccin de aerogeneradores se conformarn con un aspa sencilla y los resultados probablemente sean buenos pero podemos intentar ir ms all y buscar un diseo casi profesional.

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

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

En la siguiente figura vemos cuatro opciones de TSR o .

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

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

2)Calculamos la anchura de la madera a partir de la siguiente hoja de clculo (descargaraqu). Aqu calculamos las estaciones y la anchura de la madera en las estaciones. Ver la figura siguiente:

Clculo 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 formn o escoplo, o con lijadora o un cepillo elctrico.

La secuencia completa del proceso puede consultarseaquyaqu.

13Acabado de las aspasPara el correcto acabado de las aspas debemos protegerlas usando revestimientos como aceites basados en resinas epoxi.14.Equilibrado de las aspasSi bien todo el proceso de la construccin de un aerogenerador es importante, hay uno que resulta crucial. Sin un equilibrado adecuado, la mquina mostrar signos de inestabilidad, afectando al rendimiento y seguridad. Unas aspas desequilibradas originarn un rpido 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 rotacin de las aspas debe girar exactamente el centro exacto del crculo descrito por las aspas. Debe ser necesario medir la distancia de las puntas de cada una a otra, y estar seguro que estn equidistantes. Una forma interesante de equilibrar las aspas es colocarlas en forma de sandwich entre dos crculos exteriores de madera de dimetro aproximado 11 en dimetro.

15.Conexin de las aspas al generadorPara la sujecin del generador a la estructura principal, y mantener el movimiento de rotacin, 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 diseamos 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 ste los dos rotores. El eje es la pieza de acero que se ajusta a la montura del buje permitiendo que sta 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 elica

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

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

El aerogenerador utiliza un regulador que adems debe incorporar una derivacin de la energa producida que la batera no pueda aceptar, y disiparla en una carga externa.

Las cargas de derivacin absorben el exceso de generacin. Para un generador pequeo pueden usarse resistencias del rango de 0,5 kW. Se necesita una proteccin por sobrecorriente entre la carga externa/controlador y las bateras.

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

Otro objetivo de los sistemas electrnicos para aerogeneradores consisten en proporcionar un circuito en el que se puedan efectuar cambios de parametrizacin de funcionamiento sin necesidad de contacto presencial en la correspondiente instalacin, y en facilitar elementos que permitan una adaptacin a las condiciones de trabajo del aerogenerador. Tambin es posible permite regular parmetros y adecuar tensiones y corrientes elctricas de trabajo, proporcionadas por el aerogenerador, para optimizar la energa que se lleva a un equipo receptor tal como bateras, inversor de vertido a red u otro, estructurndose en un circuito electrnico cuya entrada se conecta al aerogenerador y cuya salida se conecta al equipo receptor.

Circuito de control de un aerogenerador

En los sistemas de conexin estamos produciendo energa y volcndola a la red, no hay controlador en operacin normal, ya que el inversor est vendiendo toda la energa que se produce y no se consume. Pero debe haber alguna funcin de control en caso de fallo de la red, y puede ser electrnico antes del inversor para regular el voltaje de entrada.Gua para la construccin artesanal de una turbina elica domstica (7 PARTE)

Construccin de una torre inclinada

PARTE 614.Mecanismo de frenado de emergencia

Si bien no es imprescindible muchas turbinas elicas incorporan algn medio de parar la turbina para repararla, en caso de emergencia, para mantenimiento rutinario, o cuando la energa no se necesita. Muchas turbinas usan un freno dinmico que simplemente cortocircuita las tres fases elctricas y acta como un desconectador. Otros tienen un freno mecnico, activado por un pequeo cabrestante colocado en la base de la torre, ya sea mediante un freno de disco o de tambor. Otras veces se coloca un enrollador mecnico que inclina el rotor fuera de la exposicin al viento. Un freno mecnico es usualmente ms fiable y efectivo que un freno dinmico.15.InversorLas pequeas turbinas elicas generan energa elctrica en corriente continua o directa. En sistemas muy pequeos, las aplicaciones en corriente directa obtienen la energa directamente de la batera. Pero si deseamos hacer uso de aplicaciones normales en corriente alterna, debemos instalar un inversor para rectificar la corriente directa de las bateras a corriente alterna. Aunque este dispositivo disminuye ligeramente la eficiencia global del sistema, permite que la instalacin elctrica del hogar sea diseada para sistemas de corriente alterna16.Conexin a redEn un nmero creciente de pases, entre ellos Espaa existe la opcin de volcar la energa producida a la red (veraqu). De esta forma conseguimos algo tan interesante como evitar las bateras pues se compensa la energa producida consumida mediante un contador bidireccional. Es decir, en vez de almacenar la energa que producimos en bateras costosas lo hacemos directamente en la red. Esto hace rentable cualquier inversin en energas renovables y muy especialmente la generacin con energa elica.

Conectar una turbina elica donde podemos disponer tambin de un cierto apoyo con bateras si nos interesa puede ser la mejor de todas las opciones. Lo primero es que disponemos de una capacidad sin lmite de la red a nuestra disposicin, pero adems podemos vender el excedente de energa elica a la red. Si tenemos cortes de energa elctrica en la red, un problema creciente en cada vez mayor nmero de pases, podemos usar nuestra turbina elica para obtener energa fiable. En esta situaciones usaremos un banco de bateras calculado en funcin de la fiabilidad que queramos dar al sistema.

Los sistemas elctricos elicos se acoplan muy bien como sistemas de apoyo ante incidencias de las redes elctricas, pues es precisamente cuando hay fuertes vientos y normalmente ausencia de sol cuando ms apagones se producen.17.Construccin de una torreOtra cuestin importante para optimizar el rendimiento de nuestra turbina elica es la construccin de la torre sobre la que vamos a colocar el aerogenerador. La construccin de una torre de unos 9 metros de altura sobre ningn obstculo har que incrementemos la produccin de energa.

Podemos construir la torre de diferentes formas, utilizando materiales como celosa, tubos y usando cables para arriostrar y dar estabilidad a la torre.

Tambin existe la posibilidad de construir torres inclinables, muy apropiadas en lugares donde exista riesgo de fuertes vientos. Estas torres son tambin tiles para realizar el mantenimiento peridico de los rodamientos de la turbina.

Los riesgos que deben asumirse si no usamos una torre son que la vida de la turbina se acorte.18.Montura y orientacin de la turbina al vientoSi el aerogenerador no est conectado a una batera o a otra carga elctrica, entonces las palas se sobreacelerarn. La mquina empezar a hacer ruidos y puede que vibre tanto que las partes se separen y caigan al suelo. Para evitar este tipo de problema, son importantes los siguientes aspectos: Mantener conectado el aerogenerador a una carga siempre. El aerogenerador debe tener un sistema de orientacin (o viraje) para vientos elevados. Las palas deben estar precisamente equilibradas para que funcionen con suavidad.

La montura del aerogenerador es una pieza de acero sobre la cual va montado el generador. Por otro lado, la montura tiene la parte interior de la bisagra de cola que forma parte del mecanismo de orientacin y viraje del aerogenerador; sobre esta parte interior de la bisagra de cola que es un saliente de la montura, va montada la cola del aerogenerador con la veleta.

La veleta es la encargada de llevar a cabo el sistema de proteccin de sobre-velocidad. El mecanismo empleado ser un mecanismo de viraje tanto del generador como bloque solidario a la montura de ste, como de viraje de la cola; funciona aprovechando el equilibrio entre la fuerza de empuje del viento (por un lado sobre las palas y por otro sobre la veleta de la cola) y la fuerza de la gravedad que supone el peso de la cola.

La cola de veleta se usa para encarar la mquina en el viento. Forma parte de un mecanismo que hace girar el generador y las palas fuera de toda la fuerza del viento, girando toda la mquina sobre un cojinete (que no es otra cosa que el tubo de viraje) en el extremo superior de la torre19.BaterasUna cuestin importante en la fabricacin de un pequeo generador elico es el almacenamiento de la energa que vamos obteniendo. Hay que tener en cuenta que si bien generamos poca potencia el molino puede estar obtenindola las 24 horas del da. Especialmente en aplicaciones residenciales de fin de semana un pequeo generador puede cargarnos un banco de bateras sin problema. No obstante, debemos calcular un banco de bateras de suficiente tamao como para almacenar la energa producida. Para entender bien cmo funcionan los bancos de bateras recomendamos revisar: Por qu fallan las bateras y qu podemos hacer para prolongar su vida en servicio?20.Esquema de montaje de una instalacin aislada

Esquema de voltaje de una instalacin elica aislada

El esquema de montaje de una turbina elica en una instalacin aislada es la que mostramos en la figura. Como vemos en este caso se ha utilizado de forma complementaria un generador de apoyo.21.Mantenimiento y desmontaje del alternadorLas turbinas elicas usan partes mviles, y como todas las partes mviles necesitan inspeccin regular, mantenimiento y lubricacin. Debemos tener en cuenta que la turbina estar funcionando en muchas ocasiones casi de forma permanente por lo que un mantenimiento peridico es vital para garantizar muchos aos su correcto funcionamiento.

Una vez al ao es conveniente desmontar el alternador de la turbina elica, limpiar e inspeccionar rodamientos, conexiones elctricas y otras partes. Podremos usar el manual de instrucciones del fabricante del alternador como referencia para su mantenimiento.22.Rentabilidad de la inversinPara evaluar la rentabilidad de los proyectos con energa minielica podemos usar el siguiente calculador (veraqu), que nos permitir calcular el modelo econmico de una pequea turbina elica.Bibliografa: Alternator Disassembly and Maintenance. Otherpower.com Especificacin tcnica para la rplica en la UPC de un aerogenerador de baja potencia destinado a la cooperacin para el desarrollo humano. Monterrubio Montes, Juan Antonio y De Marco Ibez, Natxo. Universitat Politcnica de Catalunya 2006 Estimating a Small Wind Turbines Annual Energy Output. Energy Savers. U.S. Department of Energy. How I home-built an electricity producing Wind turbine. Michael Davis Sistemas elicos pequeos para generacin de electricidad. Department of Energy The Basic fact about wind energy. Windpower.generatorguide.net Wind Electricity Basics. Homepower magazine Wind Power Curves. Whats Wrong, Whats Better. Ian Woofenden. Wind Power Projects. Build it solar Wind resources map of Spain at mesoscale. Methodology and validation. Wind Energy Department, National Renewable Energy Center (CENER)

Palabras clave: Permanent magnet DC motor, low-RPM generators