04 Manual Aerogenerador Casero

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    ndice Introduccin Captulo 1: Un Recurso Ventoso

    El viento El costo ecolgico Cuanta energa puedes esperar A donde va la energa Diseos bsicos

    Captulo 2: Seguridad

    Seguridad Elctrica Proteccin contra incendios Proteccin contra descargas Riesgos en Bateras Otras Responsabilidades

    Captulo 3: El Diseo del Rotor

    Ley de Betz Empuje y Resistencia Diseo del Aspa Conclusiones

    Captulo 4: Construyendo las Aspas

    Una Advertencia Peso del Aspa Materiales del Aspa Como hacer las aspas Pintando y balanceando las aspas

    Captulo 5: Generadores

    Que buscar Como trabajan los generadores Cambiando la velocidad de los generadores Tipos de Generadores Motores usados como generadores Construyendo un alternador magntico de la nada Tips de diseo

    Captulo 6: Controles mecnicos

    Mirando al viento Evitando la sobrecarga Alejndonos del viento Apagando el sistema

    Captulo 7: Controles elctricos

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    Control de carga Sistema de calentamiento Las bateras

    Captulo 8: La Torre

    Tipos de Torres Que tan fuerte es suficiente Levantando la torre Materiales Ancho Tips de Seguridad

    Captulo 9: Ecuaciones de Energa Elica

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    Introduccin

    La energa elica es la opcin. Es una de esas cosas multifacticas que pueden servir a todo tipo de gente y de muchas maneras diferentes, es una energa gratis, sin costos ambientales, y sin mencionar la gran gama de oportunidades para los emprendedores. Aunque el viento es una de las formas ms antiguas de energa mecnica, sufri una especie de retroceso desde principios del siglo pasado cuando los combustibles fsiles entraron en el mapa y bajaros los precios de la energa. Pero en tiempos recientes en donde nos hemos dado cuenta el tremendo impacto negativo que tiene el generar energa a partir de los combustibles fsiles, la energa elica esta de regreso, en especial en grandes proyectos de las para-estatales. Un gran nmero de pases estn poniendo un gran esfuerzo en generar electricidad a partir de los aerogeneradores. Para nosotros los emprendedores y amantes del medio ambiente, la energa elica es sin duda una muy buena manera de generar energa en casa.

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    Capitulo 1: Un Recurso Ventoso

    Este curso ha sido escrito para aquellos que quieren construir su propio aerogenerador. La energa elica es algo salvaje, y algo difcil de manejar. Capturar energa elica es como montar un caballo salvaje. Muchas de las personas nuevas en el mundo de la energa elica subestiman las dificultades. Investiga mucho sobre el tamao de equipo necesario para producir la energa que necesitas. Es un proyecto realista para ti? Cuentas con un lugar en donde hacer las turbinas? Cuentas con un lugar seguro para ubicar la turbina y que trabaje de manera adecuada? Todas estas preguntas importantes que debes hacerte, y que con un poco de esmero podrs contestar que s. Si tienes el tiempo, el taller para trabajar, el lugar donde instalar la turbina, y la pasin y las ganas suficientes, seguramente construir un aerogenerador ser de gran utilidad y satisfaccin. Espero que este curso te ayude a lograrlo. No hay nada gratis El viento es gratis, por lo que la gente llega a asumir que la energa elica tambin lo ser. Si esto fuera cierto, veramos aerogeneradores por todos lados, pero obviamente no hay nada gratis. El viento es una fuente de energa muy difusa. Para producir suficientes cantidades de energa, los aerogeneradores deben de ser grandes, trabajar de una manera eficiente y deben de estar bien diseados. Por lo que un buen sistema no ser barato. Si construyes tu propio sistema puedes ahorrar gran parte de ese costo, pero a cambio dars mucho de tu tiempo. Depreciacin de Bateras La energa para pequeos sistemas de energa elctrica elica usando bateras no es competitivo en cuanto al costo comparado con comprar energa de la red elctrica. El puro costo de las bateras es muy costoso. Las bateras duran alrededor de 7 aos antes de dejar de servir. Se ha calculado que el costo de cambiar las bateras cada siete aos es igual de costos como si hubieras comprado esa energa. Esta comparacin nos muestra que no es viable el usar bateras con energa elica en la ciudad. Por otro lado, en lugares remotos, el costo de instalar las lneas de transmisin de energa puede ser ms costoso que instalar un sistema de energa elica, por lo que en estos casos llega a ser ms barato y confiable. Ahorrando dinero en los deshuesaderos y tiraderos Los lugares en donde se recicla metal y ese tipo de cosas pueden ser un excelente lugar para comprar materiales, mucho ms barato que si lo compraras nuevo.

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    El costo ambiental Todas las fuentes de energa tienen su costo en el medio ambiente. La energa elica es limpia y renovable, pero si tienes sus puntos malos: El Ruido Hay dos tipos de sonido que pueden presentarse: el sonido de las aspas y los sonidos mecnicos. El sonido de las aspas no es problema, ya que suena muy similar al viento por los rboles, generalmente es opacada por otros sonidos. Por su parte los sonidos mecnicos se pueden presentar debido a la vibracin o al zumbido del generador. Este tipo de sonidos puede volver locas a algunas personas, especialmente si las mantienen despiertas. Intrusin Visual La intrusin visual tiene generalmente ms quejas que el sonido. No se porque pero a algunas personas les molesta mucho como se ven, es cuestin de hablar con los vecinos para no tener problemas. Cuanta energa puedes esperar Energa Instantnea de Salida en Watts Velocidad del Viento 2.2 m/s 4.5 m/s 10 m/s 20 m/s Dimetro del Aspa 1m 1 6 70 560 Dimetro del Aspa 2m 3 25 280 2,300 Dimetro del Aspa 3m 7 60 630 5,000 Dimetro del Aspa 4m 12 100 1,120 9,000 Esta tabla te da una idea de cuanta energa puede producir un aerogenerador. Asume un modesto coeficiente de 0.15. Por ejemplo. Un aerogenerador de 2 metros de dimetro a 10 m/s produce alrededor de 280 watts. La energa (en watts), es la taza de captacin de energa en cualquier momento. La tabla de arriba te muestra cuanta energa puedes esperar en un aerogenerador dependiendo del ancho de las aspas y de la velocidad del viento. La tabla asume que tu aerogenerador captura el 15% del total de viento bruto. El porcentaje de captura es conocido como el coeficiente de poder o CP, y despus veremos porque es un porcentaje tan bajo del total. La energa en bruto depende de la densidad del aire (alrededor de 1.2 kg por centmetro cbico), la velocidad del viento y el tamao del rotor. La velocidad del viento es algo crtico (como podemos ver en la tabla de arriba). Vientos ms fuertes tienen ms masa de viento que pasa por el rotor por segundo, y la energa cintica por kilogramo de aire depende del cuadrado de su velocidad, por lo que la energa de salida se incrementa de manera exponencial con la velocidad del viento. El rea cubierta por el aerogenerador depende del cuadrado de su dimetro. Es importante aclarar que cuando hablamos de rotor, nos estamos refiriendo a todo el aerogenerador en total, no hay que confundir con el generador.

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    Al final del curso vienen las ecuaciones del viento que puedes usar para calcular la potencia de salida de tu aerogenerador. Inclusive te recomiendo lo metas a Excel para que la computadora haga los clculos por ti. Como te puedes dar cuenta, la energa del viento vara de gran manera. Hay pocos watts disponibles en una brisa de viento. No es fcil disear una mquina que pueda convertir esta cantidad de energa de una manera efectiva, pero todo se puede lograr. El viento cambia constantemente, y las fluctuaciones de energa pueden ser extremas. Necesitamos recolectarla cuando esta disponible, e inclusive almacenarla en periodos de calma, o usar otra fuente de energa como refuerzo. Una pequea gua para predecir la captura de energa La energa capturada en un tiempo determinado es el promedio de energa multiplicado por las horas. Esto depende tanto del lugar en donde se encuentra como de la mquina en si. Condiciones del Sitio rboles y Edificios 3 m/s (6mph)

    Promedio de Velocidad del Viento

    Campos abiertos 4.5 m/s (10mph) Tope de montaas y costas 6 m/s (13mph) La energa de salida promedio de un aerogenerador no es la misma que la energa de salida instantnea cuando la velocidad del viento es promedio. Pero no te preocupes, al final del curso hay ecuaciones que puedes usar. Promedio de Energa de Salida en Watts Velocidad promedio de Viento 3 m/s 4.5 m /s 6 m/s Dimetro de Aspa 1m 4 13 30 Dimetro de Aspa 2m 15 51 121 Dimetro de Aspa 3m 34 115 272 Dimetro de Aspa 4m 60 204 483 En la tabla de arriba podemos ver que una aerogenerador de 2 metros de dimetro da un promedio de energa de salida de 51 watts con velocidades de 4.5 m/s. Pero esto slo es un promedio, el rango de salida oscila entre los 30 y 80 watts. Como usar un aerogenerador El promedio de energa de salida tiene que ser igual al promedio de energa que el usuario necesita. Una persona promedio (en Latinoamrica) tiene un consumo promedio en casa de 100 watts en cualquier momento.

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    Por lo que en una familia de 5 personas, un promedio de energa de 500 watts es necesario. Obviamente estos son slo promedios, y tienes que hacer un clculo para tu situacin en especial. Eficiencia a dnde se va la energa? En las dos tablas de arriba asumimos que nuestro aerogenerador capturar el 15% de la energa del viento. En realidad, el coeficiente de energa depende de cuanta se pierde en cada paso de conservacin de la energa. Inclusive alguna se pierde antes de que empiece el proceso. El Teorema de Betz Albert Betz (1926) es la persona que descubri esto, por lo que su nombre siempre es usado a la hora de hablar de su teorema. Para poder extraer energa del viento, debemos reducir su velocidad. Para extraer toda la energa del viento deberamos de pararlo por completo. Sin embargo esto hara que no hubiera viento en movimiento alrededor de nuestra turbina. El aire debe de poder escaparse con cierta velocidad, por lo que alguna energa cintica es perdida. De acuerdo a Betz, el mejor coeficiente de energa que podemos alcanzar es de 59.3%, pero en la prctica este porcentaje cae debido a otros factores descritos a continuacin: Arrastre Las aspas del rotor convierten la energa del viento en energa de eje. Despus discutiremos las ventajas de usar pocas y delgadas aspas, que rotarn ms rpido, comparado con muchas aspas que rotarn ms lento. Las aspas que se mueven muy rpido van a experimentar arrastre aerodinmico. El arrastre detiene a las aspas, perdiendo parte de la potencia que podran estar atrapando del viento, por lo que debemos hacer las aspas tan aerodinmicas como podamos. Pero inclusive el mejor diseo de aspas perder alrededor del 10% e la energa que pueden manejar. Las aspas hechas en casa pierden mucha ms energa que el 10%. Friccin Mecnica Tambin habr perdida por friccin en los engranes, cepillos y todo dispositivo mecnico en el sistema. Esta perdida se incrementar muy poco conforme la velocidad del viento se incremente. Por lo tanto, cuando el aerogenerador esta trabajando muy duro, con vientos fuertes, las prdidas por friccin slo sern un pequeo porcentaje del total. Pero en vientos lentos, las prdidas por friccin pueden hacer una gran diferencia, en especial con aerogeneradores pequeos.

    Si esto es significativo o no, depende de lo que t esperes de tu aerogenerador. Si es tu nica fuente de energa, va a ser crucial tener una buena eficiencia en vientos lentos, y debers de llevar la energa de las aspas directamente al generador sin usar una caja de cambios. Los que usen su aerogenerador solamente como sistema de apoyo, en donde los vientos dbiles son de poco uso, usar un generador con velocidades puede ser ms conveniente.

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    Prdidas por el Cobre La prxima etapa del proceso es generar la electricidad. Esto se lleva a cabo en bobinas. La corriente elctrica sufre de su propia friccin que se traduce en el calentamiento de los cables.

    Esta friccin es proporcional a la resistencia de los cables de cobre que llevan la corriente (ver las ecuaciones del viento). Puedes reducir la resistencia, y por lo tanto las prdidas por cobre, usando cables ms gruesos. Esto hace que el generador sea ms pesado y ms caro, pero puede valer la pena.

    La resistencia de los cables de cobre se incrementa cuando se incrementa la temperatura. La prdida en el cobre calienta la bobina, lo que incrementa la temperatura, lo que incrementa la resistencia y por lo tanto la prdida de energa. Este crculo vicioso puede llegar hasta quemarse, en el peor de los casos, y definitivamente disminuir la eficiencia de la mquina, por lo que es importante ver el bobinado del generador en el diseo general.

    Las prdidas de cobre se incrementan con el cuadrado de la corriente. Las prdidas por cobre son iguales a las prdidas por friccin, a menos velocidad ms perdida.

    Por ltimo, cuando el cable de cobre es muy largo, se necesita que este sea ms ancho. Si el costo de un cable ancho es ridculo, entonces hay que cambiar el voltaje del sistema. A mayor voltaje, menos corriente ser necesaria para proporcionar la misma cantidad de energa. Altos voltajes significan menos prdida en los cables. Un sistema de 12 volts peder hasta 400 veces ms energa que un sistema de 240 voltos, usando el mismo cable. Prdidas de Hierro La mayora de los generadores tambin sufre de prdidas por el hierro, estas prdidas son cubiertas en un captulo posterior. Como se suman las prdidas Cada parte del sistema pasa un porcentaje de la energa que recibe. Estos porcentajes se van sumando a los que siguen (ver imagen de abajo), para tener el total de coeficiente de energa. Es muy afortunado que la energa que usamos (la elica) sea gratis.

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    Diseo Bsico Para cualquier tamao de rotor, es muy tentador usar un generador muy grande, para hacer uso de una gran energa con vientos fuertes. Pero tambin para un generador dado, es tentador usar un rotor muy grande, para obtener el mximo beneficio de los vientos dbiles. Un generador grande con un rotor pequeo es una mala combinacin, en especial si el generador es de una baja eficiencia. Un generador pequeo con un rotor grande alcanzar su mayor energa en vientos dbiles, dando una fuente de energa ms constante. Las desventajas de un rotor grande son las siguientes:

    Se necesita una torre ms fuerte (captulo 8) Trabaja a menos rpm (revoluciones por minuto) Requiere de un mayor control en vientos rpidos (captulo 6)

    Una regla comn es el de usar un generador que alcance su mximo poder de salid de energa en velocidades de alrededor de 10 m/s. Es tambin muy importante hacer coincidir las rpm de estos dos componentes, por lo que es importante entender sus caractersticas de energa/velocidad. Relacin de Velocidad en la Punta La velocidad en la punta de un aspa depende de las revoluciones por minuto (rpm), y el dimetro del rotor. Por ejemplo, la punta de un aspa en un rotor de un dimetro de dos metros a 500 rpm, viaja a una velocidad de alrededor de 52 m/s (ms de 160 kilmetros por hora). Operar a velocidades de punta de ms de 134 m/s o 480 kilmetros por hora es posible, pero se recomienda trabajar a velocidades de alrededor de 80 m/s.

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    La relacin de velocidad en la punta es el nmero mgico que describe de manera ms concisa el rotor de un aerogenerador. Un rotor no slo tiene una velocidad de rotacin dada. Su rpm ptimo depende de la velocidad del viento, el dimetro y la relacin de velocidad en la punta. (Ver las ecuaciones del viento) El rotor de nuestro aerogenerador trabajar mejor a una relacin de velocidad en la punta en particular, pero inevitablemente tendr que trabajar en un rango de velocidades amplio. El coeficiente de energa CP variar dependiendo de la velocidad en la punta, para un diseo de rotor en particular. Tendr su mejor desempeo si la velocidad es segn lo planeado, pero podr trabajar de manera aceptable en un rango de velocidades.

    La figura de arriba muestra el coeficiente de energa en un rotor diseado para operar en una relacin de velocidad de punta de 7. Una pequea variacin en las rpm o en la velocidad del viento no ocasionara mucha diferencia. Si las rpm son muy bajas, comparadas con el viento, entonces se detendr. Si no hay carga en el rotor (tal vez porque un cable del circuito elctrico se rompi), el rotor sobre girar hasta alcanzar un cierto punto, hasta que se haga tan ineficiente que no tendr energa para girar ms rpido. La mayora de los aerogeneradores son muy ruidosos y alarmantes cuando se acerca esta velocidad. En el captulo tres veremos ms de cerca como disear el rotor para que funcione a una relacin de velocidad de punta en particular. Caractersticas de un Generador El rotor acelerar hasta que la carga (el generador) absorba toda la energa que puede producir. Si el rotor y el generador estn bien calibrados, esto suceder en la relacin de velocidad de la punta, y la mayor cantidad de energa ser extrada del viento.

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    Los generadores tambin tienen su velocidad preferida de operacin. Como veremos despus, el voltaje producido por el generador vara con la velocidad de rotacin. Tendr que correr rpido. Si esta conectado a una batera, no saldr energa hasta que el voltaje de salida del generador sea mayor que el voltaje de la batera. La velocidad del eje (rpm) por encima en donde el generador entrega corriente es conocida como la velocidad cut-in. La velocidad requerida para entregar la mxima energa de salida es conocida como velocidad nominal. Estas velocidades necesitan corresponder a las velocidades a las que el rotor le gusta girar, a una velocidad de viento correspondiente. Encontrando la mejor rpm Rpm para varias turbinas + Velocidad de Punta (VP) Energa (watts)

    Dimetro (metros)

    VP=4 VP=6 VP=8 VP=10

    10 0.4 2032 3047 4063 5079 50 0.8 909 363 1817 2271 100 1.2 642 964 1285 1606 250 1.9 406 609 813 1016 500 2.7 287 431 575 718 1000 3.8 203 305 406 508 2000 5.3 144 215 287 359 5000 8.4 91 136 182 227 La tabla de arriba te da una gua para cuadrar velocidades con el generador. Escoge la energa que necesitas en la primera columna, esta es la salida nominal del generador (y por lo tanto del aerogenerador). La segunda columna sugiere un dimetro de rotor adecuado, basndonos en la hiptesis que tu CP es el 15% a una velocidad de 10 m/s. Las siguientes columnas dan nmeros de la velocidad que requiere el generador en rpm, para cada una de las relaciones de velocidad en la punta. Supn que quieres 250 watts con una velocidad en la punta de 6. Si vemos la cuarta fila, en la segunda columna vemos que necesitamos un dimetro en el rotor de 1.9 metros. a cuantas rpm debera de trabajar el generador?, en la cuarta columna vemos que a 609 rpm. Con esto desciframos uno de los mayores problemas con diseos de aerogeneradores pequeo. Es imposible encontrar generadores con velocidades nominales tan bajas. Los generadores trabajan mejor a altas rpm. Estn diseador para generalmente trabajar entre 1,500 y 3,000 rpm. Aqu hay varios caminos alrededor del problema, cada uno tiene sus pros y sus contras que se irn desenvolviendo a lo largo del curso:

    La velocidad entre el rotor y el generador Usar una velocidad de punta muy alta Trabajar a velocidades de viento muy altas Modificar el generador para trabajar a menos velocidad

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    Construir un generador especial de baja velocidad. Tambin hay que tomar en cuenta la velocidad cut-in. Idealmente, las rpm cut-in deberan de ser a un tercio de las rpm nominal del generador. Mantener el rotor a su velocidad de punta de diseo, esto har que la velocidad cut-in sea de de 3.3 m/s (asumiendo una velocidad nominal de 10 m/s. Si la velocidad cut-in es mayor a la mitad de las rpm nominal, se tendrn problemas en alcanzar estas rpm a velocidades bajas. Resumen La energa elica es divertida pero no barata. Hay un precio que pagar; no slo en dinero, sino en el tiempo y en el impacto que el aerogenerador tendr en tus vecinos. Puedes usar las tablas en este captulo para ver el tamao de turbina que necesitas. Las tablas toman en cuenta las prdidas tomando como referencia en coeficiente de energa de 15%. Hacer coincidir la velocidad del rotor y el generador puede traer problemas. Los rotores rpidos son ruidosos, los generadores lentos son pesados y pierden mucha energa.

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    Capitulo 2: Seguridad

    Para muchas personas, experimentar con aerogeneradores caseros es entrar en lo desconocido. Cuando estamos aprendiendo algo nuevo generalmente hay gente que nos advierte de la manera segura de hacerlo, pero como muy poca gente sabe sobre los aerogeneradores, esto trae una mayor responsabilidad hacia nosotros sobre la seguridad. Si conoces a alguien con experiencia no dudes en pedirle consejos. Pero al final la responsabilidad cae sobre ti, por lo que necesitas saber sobre los riesgos y la seguridad necesaria para construir tu propio aerogenerador. Seguridad Elctrica Los suministros elctricos presentad dos principales riesgos: fuego y descargas. Por lo que debes leer sobre las regulaciones de cableado en tu pas para mantenerte fuera de riesgos. Proteccin contra fuego En el captulo anterior hablamos sobre la prdida de cobre, y como una corriente elctrica pasando por un cable genera calor. Cuando un cable esta cargando mucha corriente elctrica, puede llegar a calentarse tanto que derrita el recubrimiento de PVC y prenda en llamas el edificio.

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    Cortos Circuitos y Fusibles El exceso de corriente se puede deber a una sobrecarga, cuando demasiada energa esta siendo usada del circuito, o debido a un corto circuito. Un corto es el nombre dado a una falla en donde hay contacto entre dos cables del circuito (positivo y negativo o vivo y neutral). El circuito principal, o la batera, pueden dar corrientes muy altas de miles de amperes cuando existe un corto circuito. Cualquiera sea la causa, el exceso de corriente debe ser detenido para evitar un incendio. Todo circuito que viene de la fuente principal (generalmente el generador) debe de tener un dispositivo de corte que corta la corriente inmediatamente cuando hay exceso de corriente, o un fusible. Los fusibles son baratos de instalar pero cuesta remplazarlos cada vez que uno se quema. Otra opcin son los Cortadores de circuito (MCB) en Miniatura que estn ganando mucha popularidad. Estos son como switches y pueden ser usados para desconectar el circuito de manera manual. El calor producido depende del tamao del cable. Si se usan diferentes tamaos de cable, cada circuito debe de considerarse de manera separada. El dispositivo de sobre corriente debe de ser capaz de cargar la corriente de manera natural que se espera en el circuito y debe de ser diseado para que el cable de desconecte si hay sobrecarga o un corto circuito. Malas conexiones Los cables no son el nico peligro de fuego en un sistema elctrico. Una conexin corroda ocasionar una gran resistencia al flujo de la corriente antes de acabar por fallar completamente. Corriente normal pasando por esta resistencia se calentar, inclusive hasta el punto de quemar sus alrededores. Por lo tanto:

    Siempre monta las conexiones en materiales resistentes al fuego, no sobre madera.

    Prev que la humedad afecte a las conexiones mantenindolas limpias y secas Proteccin contra Descargas Una descarga elctrica es una corriente a travs del cuerpo. Esto sucede porque una persona toca dos objetos conductivos diferentes, entre los cuales hay un voltaje. Estas son algunas formas de protegerte contra el riesgo de una descarga. Usar voltajes extra bajos La manera ms fcil de prevenir una descarga es usar muy bajos voltajes, como 12 o 24 voltios. An si una persona toca ambas terminales de la batera, no tendr la sensacin de una descarga, slo pequeos toques. Los voltajes por debajo de 50 volts son llamados voltajes extra bajos (ELV). Si los mantenemos segregados de los circuitos de alto voltaje, estos son relativamente seguros. Una palabra de advertencia a cerca de los voltajes de bateras. La valuacin de un sistema de energa elica es nominal, no exacta. Si la batera se desconecta, y el aerogenerador esta girando rpido, habr voltajes mucho ms altos llegando del aerogenerador. Tambin, existen aerogeneradores que usan transformadores y transmisiones de alto voltaje del generador a la caja de control, esto para minimizar las prdidas por cableado. Es importante NUNCA asumir que el voltaje del aerogenerador es demasiado bajo como para darte tuna descarga.

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    Encierra, pon tierra y fusibles Si vas a usar voltajes de red, entonces es esencial tomar precauciones. La manera ms segura de tratar los voltajes de red es seguir los estndares de voltaje de red comunes. Esto har que otras personas entiendan ms fcil tu sistema. Pero recuerda que en la prctica, tu sistema de energa elica no se comportara como la red principal. Todos los conductores vivos deben de ir dentro de una caja, lejos de dedos curioso. Si vas a comprar cables de segunda mano debes de asegurarte que el aislamiento del cable no tenga daos. Peligros de Bateras Personalmente odio las bateras. Pero son la caracterstica de un sistema independiente de energa elica. Deseara que no necesitramos bateras, pero son esenciales cuando la energa elica es la fuente primaria de energa. Las bateras combinan diferentes y muchos peligros. Primero son muy pesadas, por lo que estarlas moviendo e instalarlas no es fcil. Segundo, estn llenad del corrosivo cido sulfrico, peligroso tanto para tu ropa como tu piel. Es especialmente peligros en los ojos. Limpia los derrames con una solucin alcalina, bicarbonato, por ejemplo. En el caso de contacto con la piel o los ojos, lava con abundante agua y lo ms rpido posible despus del contacto. Tercero, pueden ocasionar una terrible chispa que puede quemarte si hay un corto circuito, con una llave inglesa por ejemplo. Qutate toda la joyera cuando trabajes con bateras. Siempre instala un fusible para proteger el cableado. No permites que el dispositivo de sobre corriente toque la batera, porque se va a corroer. Por ltimo, emiten gases explosivos, que pueden ser prendidos por una chispa, por lo que debes de mantener las bateras en un lugar ventilado. Una pequea ventana en el punto ms alto, es todo lo que necesitas, estos gases suben muy rpido. Pero hay que tener cuidado que no se generen chispas cerca de la ventana de escape de los gases. Las chispas son una fuente comn de explosiones cerca de bateras. Deshazte de las bateras de una manera responsable. El cido es txico, por lo que necesita ser reciclada, no tirada. Las personas que compran cosas usadas inclusive te pueden pagar por tu batera vieja. Otras responsabilidades Las aspas del molino giran a altas velocidades. Las aspas deben de estar lejos del paso o alcance de transentes y de nios. Cuando termines de armar tu primer rotor de aspas, no trates de probarlo sostenindolo en lo alto para ver como gira. Una vez que empiecen a girar no podrs pararlas. La fuerza giroscpica probablemente te vencer y terminars por soltarlas, lo que puede lastimarte o a las personas que estn cerca. Los ejes, las bandas y otro tipo de cosas mviles son muy peligrosas. Cuando ests experimentando con tu aerogenerador a nivel del suelo, trata de no usar ropa muy suelta y agarra tu cabello.

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    Trabajando en las alturas Trata de evitar a toda costa trabajar en las alturas, pero si debes hacerlo toma en cuenta lo siguiente:

    Que la torre este bien sujeta Amrrate mientras estas trabajando Que nadie en el suelo este cerca del rea en la que estas trabajando, podras tirar

    algo en su cabeza. Nunca subas al menos que ests completamente seguro, reljate y asegrate de haber tomado todas las precauciones posibles. La operacin de levantamiento An cuando t nunca dejes el suelo, la ereccin de la torre debe de hacerse con mucho cuidado. La situacin ms segura es cando la menor cantidad de gente est involucrada en la tarea, una sola persona debe de estar a cargo, y los dems seguir sus instrucciones, lo ms lejos de la torre posible. Las operaciones de levantamiento deben ser lentas y seguras. Hay cosas que se sueltan y las torres se caen La seguridad es lo primero y lo ltimo que se disea en un sistema de energa elica. Construye tu torre tan fuerte como para que nunca se caiga. Ponla en un lugar en donde si se llega a dar el caso que se cae, no haya gente regularmente por esa rea. Este captulo no es para que te deprimas, es para que evites los problemas y complicaciones a la hora de construir tu aerogenerador. Es mejor tomarse el tiempo antes que arrepentirse despus.

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    Capitulo 3: El Diseo del Rotor

    Este captulo se trata sobre el diseo de las aspas del rotor. Empezaremos con la teora de cmo las aspas hacen su trabajo, y en el prximo captulo abarcaremos la parte prctica de construir las aspas. IMPORTANTE: No te preocupes si no entiendes todos los trminos y explicaciones, esta es slo la teora y usamos mucha ingeniera, con las tablas y algunos sencillos clculos podrs construir tu aerogenerador. Betz Mejorado Hay una cantidad limitada de energa en el viento. Nosotros extraemos esa energa al desacelerarlo. De acuerdo a Betz (lo vimos en el captulo 1), existe una ptima desaceleracin del viento que extrae la mayor cantidad de energa, 59.3%. Ms desaceleracin simplemente desviara al viento lejos del rotor. Las fuerzas de freno que desaceleran al viento son iguales a la fuerza de empuje que aplica el viento al rotor (la tercera ley de Newton). El truco esencial en el diseo de un rotor consiste en crear la fuerza de empuje que produzca la ptima desaceleracin de Betz y no ms. Cuntas Aspas? Una decisin fundamental que hay que hacer a la hora de disear el rotor es el nmero de aspas a usar. Muchas personas piensan, de manera intuitiva, que ms aspas producirn ms energa. Si pensamos que cada aspa contribuye a la energa que el aerogenerador produce, esto suena bastante lgico. La falla en esta lgica radica en la suposicin que hay ms energa de la que hay. Si dos aspas es el nmero correcto, no hay razn para aadir una tercera.

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    Entonces Por qu vemos aerogeneradores con muchas aspas, mientras que otros slo tienen dos o tres? La respuesta radica en los diferentes trabajos que cada aerogenerador hace, que requieren diferentes velocidades de operacin. Mientras ms rpido se muevan las aspas a travs del viento, es mayor la fuerza de empuje. De hecho la fuerza se incrementa al cuadrado de la velocidad de las aspas, as que el efecto de doblar las rpm del rotor significa que la fuerza se va a incrementar cuarto veces. Hay una fuerza ptima a desarrollar, para una mxima extraccin de energa. Doblar la velocidad del rotor incrementa el efecto de cada aspa nen el viento por cuarto, por lo que slo necesitamos una cuarta parte de las aspas.

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    Torque y velocidad La fuerza mecnica tiene dos ingredientes. Torque es la expresin tcnica de la fuerza de giro. Las bombas requieren de un gran torque, en especial cuando arrancan despus de estar inactivas. Los generadores requieren de mucha velocidad. Usan la misma cantidad de energa pero en diferentes maneras. La energa producida por el rotor es el producto de tanto el torque como las rpm (velocidad).

    Velocidad de Punta No. de Aspas Funciones 1 6-20 Bombas Lentas 2 4-12 Bombas Rpidas 3 3-6 Molino Alemn 4 2-4 Generadores Lentos

    5-8 2-3 Generadores 8-15 1-2 Lo ms rpido posible

    La tabla de arriba nos da las opciones tpicas de velocidad de punta y el nmero de aspas para bombas y generadores. Dos aspas o tres? La cantidad de aspas que usemos esta determinada por la velocidad en la punta con la que queramos operar. Pero por ejemplo, tres aspas delgadas tendrn un desempeo similar que 2 aspas gruesas. Entonces que diferencia hace? Tres aspas vibran ms que dos. Esto se debe en parte porque hay una diferencia de velocidad del viento entre las mitades de arriba y de abajo del rea que cubre el aerogenerador, conocida como diferencia de viento (ver figura de abajo). La fuerza en la parte de abajo ser menor a la fuerza que hay arriba. Cuando slo hay dos aspas, esto lleva a una vibracin constante. Los rotores con 3 aspas no sufren de este problema porque nunca hay dos aspas en el punto medio de arriba y de abajo, ya que estn configuradas como un tringulo.

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    Otro tipo de bamboleo es cuando la turbina derrapa. Derrape es el trmino que se usa cuando la punta de la torre gira. Rotores de dos aspas causan mucho este problema. Considera el sujetar un objeto largo, como el palo de una escoba, que pasa cuando tratas de dar una vuelta brusca. Mira la figura de abajo.

  • 22

    Usando empuje y arrastre Es hora de ver un poco ms de cerca como las aspas interactan con el viento para producir fuerzas que hacen que la mquina gire. Un objeto que se encuentre con una rfaga de viento sin duda ser empujado. La fuerza del objeto posiblemente esta alineada con la corriente de aire, pero lo ms seguro es que este sesgada. Objetos asimtricos crean fuerzas asimtricas. Para ayudarnos en nuestros clculos, separaremos las fuerzas en dos componentes, actuando en diferentes direcciones, llamadas empuje y arrastre.

    El empuje esta transversal a la corriente Arrastre va paralelo a la corriente

    Diferentes tipos de turbinas usan diferentes componentes de las fuerzas. Las turbinas ms viejas que se conocen usaban un sistema de eje vertical, probablemente ideadas gracias al trabajo que hacan los animales al girar alrededor de un poste para mover algo. El eje era vertical. Las aspas eran simples pedazos de madera que capturaban el viento y hacan que el instrumento girar.

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    Una proteccin en forma de pared era usada en una parte del molino, de esta manera el viento empujaba el rotor. Adicionalmente las aspas estaban diseadas para ceder cuando el viento venia de un lado, pero lo usaban cuando venia del otro. De cualquier manera, el punto es que era la fuerza de arrastre la que haca que esta arcaica turbina se moviera. Las turbinas de este tipo son conocidas como mquinas de arrastre ya que trabajan gracias a la fuerza de arrastre. A parte de ser fciles de entender, las mquinas de arrastre tienen pocas ventajas. La mitad del rotor no esta haciendo nada, inclusive esta deteniendo a la mquina, por lo que el coeficiente de energa es bajo. La velocidad tambin esta limitada, ya que la punta no puede viajar ms rpido que el viento que la empuja. Las turbinas de hoy en da aprovechan las fuerzas de empuje, por lo que son llamadas mquinas de empuje. Cul fuerza es la que usa el aspa?

    Imagina que estas en la punta del aspa de un aerogenerador moderno. As te podrs imaginar el movimiento de la punta del aspa en el viento. Si el rotor se estuviera moviendo en un da calmado, sentiras un viento de cabeza a la misma velocidad que la velocidad del aspa. Cuando hay otro viento que viene de otra direccin, este se suma al viento de cabeza, creando un viento resultante en un ngulo. Esto se conoce como el viento relativo. No te preocupes, este tipo de turbinas es ms difcil de entender, pero tiene grandes ventajas. La punta puede viajar ms rpido que el viento. La mayor dificultad proviene de la fuerza de arrastre, que frena al aspa. Mientra ms rpido esta vaya, ms fuerza de arrastre es girada para frenarla. Para alcanzar un coeficiente de energa bueno, debemos de crear un empuje ptimo, y minimizar el arrastre.

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    Ayuda usar una figura aerodinmica, como una seccin de ala. Como en la figura de abajo.

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    El ngulo de ataque es el ngulo entre la cuerda y la direccin del viento que pega. Existen grficas en libros de texto que muestran como el empuje vara segn el tipo de seccin de ala y a diferentes ngulos de ataque. En la grfica de arriba vemos el comportamiento de la seccin de ala NACA 4412. Fjate que el coeficiente de empuje se incrementa conforme el ngulo de ataque se incrementa, hasta que llega un punto en donde se estanca, es cuando la turbulencia empieza a aparecer. Una ala estancada tiene poco empuje y mucho arrastre. Los estudios en tneles de viento muestran como la relacin de arrastre a empuje no es un factor constante, vara conforme la inclinacin del ala. La mejor y ms eficiente relacin se da cuando el ngulo de ataque es de aproximadamente 4. Los datos en la tabla de abajo son interesantes porque nos muestran que no hay una gran variacin entre diferentes figuras, pero que si la hay en la relacin de arrastre/empuje. Las secciones como la NACA tienen menos arrastre que las formas planas. Datos de Secciones Simples

    Seccin Imagen Relacin Empuje/Arrastre

    ngulo Alpha

    Coeficiente Empuje C/L

    Plana

    0.1 5 0.8

    10% Curvatura

    0.02 3 1.25

    Curvatura con tubo cncavo

    0.03 4 1.1

    Curvatura con tubo convexo

    0.2 14 1.25

    NACA 4415

    0.01 4 0.8

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    Diseo del Aspa Al disear el aspa, especificamos la forma en cada una de una serie de estaciones a lo largo:

    En cada estacin los siguientes datos son datos:

    Radio ngulo de Ajuste Cuerda Espesor

    Radio Esta es implemente la distancia desde el centro del rotor a la estacin. ngulo de Ajuste Algunas veces llamada inclinacin, el ngulo de ajuste (b) es en ngulo que hay entre la cuerda y el plano de rotacin del rotor. Aqu esa el procedimiento para encontrar el ngulo ptimo:

    1. Decide con que ngulo de ataque quieres operar (usualmente 4) para una diferencia de empuje y arrastre mnimo.

    2. Encuentra la direccin del viento relativo que pega en la parte principal del aspa en cada estacin. Esto ser la suma de dos velocidades: la velocidad del viento que pasa por el rotor, y el viento de cabeza causado por la misma rotacin del rotor. Esto lo podemos llamar el ngulo alfa .

    3. El ngulo de ajuste es la diferencia entre el ngulo de flujo y el ngulo de ataque.

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    El ngulo de flujo (y por lo tanto en ngulo de ajuste) depende de que tan lejos te vayas en el aspa. Ver figura de arriba. Al principio del aspa el viento le pega al rotor casi de manera cuadrada, por lo que el ngulo de ajuste debe ser grande. En la punta, el viento de cabeza es mucho ms grande, por lo que la direccin del viento relativo es rotada, y el ngulo de ajuste debe ser mucho menor. En la tabla de abajo se sugieren ngulos apropiados (en grados) para cinco estaciones del mismo tamao y para cuatro velocidades de punta posibles. Ajustando los ngulos (en una serie de estaciones asumiendo que alfa=4) Ajustando los ngulos para las velocidades de punta Estacin 4 6 8 10 1 36 25 19 14 2 19 11 8 5 3 11 6 4 2 4 8 4 2 1 5 5 2 1 0 Ancho del Aspa y la Cuerda El siguiente paso en el proceso de diseo del aspa es el especificar el ancho de la cuerda en cada estacin a lo largo del aspa. Ancho de Cuerda como % del dimetro Velocidad de Punta 4 6 8 10 Nmero de Aspas 3 3 2 2 Estacin 1 21.4 12.3 11.6 7.8

    2 15.4 7.5 6.5 4.2 3 11.2 5.2 4.4 2.9 4 8.7 4.0 3.4 2.2 5 7.1 3.2 2.7 1.7

    El ancho de cuerda se muestra como % del dimetro del rotor. La columna da opciones para velocidad de punta y el nmero de aspas, como se muestra en la figura de abajo. La estacin 1 es la ms cercana a la base, y la estacin 5 la ms cercana a la punta, por lo que el ancho de la cuerda va disminuyendo conforme se acerca a la punta. La tabla de arriba nos da ejemplos de anchos de cuerda para una seleccin de velocidades de punta. En esta caso, el nmero de aspas B lo escoges tu, y el ancho de la cuerda esta dado como porcentaje del dimetro.

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    Aspas sin Torsin El ancho de cuerda ideal (al igual que el ngulo de ajuste ideal) se va a los extremos al inicio del aspa. Sin embargo, slo hay una pequea prdida de desempeo si usamos una aspa simple, rectangular (con lados paralelos) sin dobleces. El rea de viento barrida por la parte interior del aspa es relativamente pequea. Puedes usar el ngulo y cuerda especificados para la cuarta estacin para toda el aspa. Entonces por qu molestarnos en aspas torcidas y cnicas?, aqu hay tres buenas razones:

    La eficiencia se mejora un poco Las aspas cnicas con ms resistentes. La mayor fuerza para doblarse se

    encuentra al inicio, por lo que es ms difcil que se rompa en condiciones adversas, o como resultado de la fatiga

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    Las aspas cnicas son mejores a la hora de empezar a moverse. La parte ms ancha al principio del aspa le da ms torque.

    El ancho del aspa Las secciones delgadas tienen una mejor relacin de arrastre/empuje, por lo que deben ser usadas en donde sea posible. Cerca de la base, en done la relacin de velocidad es baja, el arrastre y el empuje no son importantes, pero la fortaleza lo es, por lo que una seccin ms gruesa es apropiada. Si slo se esta usando una seccin para toda el aspa, entonces el diseo NACA 4425 (con un 15% de ancho en la cuerda) es una buena eleccin.

    Contra y a favor del viento o eje vertical Hay muchas diferentes orientaciones que puede tener el rotor. La mayora de los aerogeneradores son de eje horizontal, o HAWT por sus siglas en ingles (Horizontal Axis Wind Turbine). Dentro de las HAWT, estn la variedad de a favor y contra el viento, esto depende si estan atrs o delante de la torre. Otro tipo de turbinas son las de eje vertical o VAWT (Vertical Axis Wind Turbine).

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    Las turbinas a favor del viento son generalmente flexibles en sus aspas (ver figura de arriba). El empuje del viento las empuja a favor de ese. El aspa adopta un ngulo de torsin particular, que depende de la fuerza del viento y la velocidad de rotacin. El propsito de esto es remover el estrs por doblaje en el aspa. Al estar en la parte de atrs de la torre, al rotor le llega el aire movido por la torre. Este continuo movimiento puede hacer que el aspa se suelte desde sus races. Pero no le dedicaremos mucha atencin ya que este tipo de diseo se usa poco. Mquinas de eje vertical Ya hablamos antes de una mquina de eje vertical, la que se inspiro en el ganado. Un diseo similar es usado hoy en da en los anemmetros (los instrumentos que miden la velocidad del viento), por su consistente velocidad en la punta. Pero como ya habamos visto no es muy eficiente y es lenta.

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    Otro tipo de VAWT es el modelo Savonius, que es muy popular entre los entusiastas que construyen sus propios aerogeneradores. Tiene mucho torque inicial, pero tiene muy poca eficiencia, y es relativamente lento para generar electricidad. El mximo coeficiente de energa de modelo Savonius es de 15%, mientras que en un HAWT puede llevar hasta el 30%. Las VAWT que se basan en las fuerzas de empuje tienen que operar con una relacin de arrastre/empuje muy baja. Para lograr esto, el ngulo de ataque tiene que ser pequeo. El rotor tiene que girar rpido, para que el viento de cabeza mantenga el ngulo de ataque por debajo del punto ptimo. Esto significa una velocidad de punta alta. Una velocidad de punta alta significa pocas y angostas aspas.

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    Fatiga y Estrs en VAWT de alta velocidad

    Las delgadas y verticales aspas de las VAWT de alta velocidad estn sujetas a efectos de flexin centrifuga y de empuje, ambas actan de manera horizontal, ver imagen de arriba. El rotor en forma de H sufre de efectos de flexin en ambas fuerzas. En el rotor en forma de huevo, las fuerzas de flexin por la fuerza centrfuga son derrotadas al hacer el aspa curva, una curva catenaria. Esta es la misma forma que vemos en los cables de luz que van de poste a poste, de esta manera las fuerzas centrfugas slo crean tensin, y no flexin. Sin embargo las fuerzas de empuje siguen afectando de manera horizontal al aspa. Esto impone grande cargas cclicas a las aspas, lo que en consecuencia ocasiona fallas por fatiga. Por su parte, en las HAWT, las aspas tambin experimentan fuerzas de empuje horizontal, pero estas causan menos daos porque estas son constantes y no regresan constantemente. Los aerogeneradores muy grandes pueden llegar a tener problemas por estas fuerzas, pero los lectores de este curso no deben de estar preocupado por eso.

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    Rotores Envueltos

    Es posible colocar una envoltura a un rotor, lo que causar un embudo con el viento hacia el rotor. Esto trae grandes ventajas, porque resulta en velocidades de viento ms grandes, dando ms energa y ms rpm. En el papel parece una idea obviamente buena. Pero en la prctica, la construccin de una envoltura apropiada, que no se dae en vientos fuertes es muy difcil.

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    Capitulo 4: Construyendo las Aspas

    En este captulo explicamos como construir las aspas del rotor. Pero antes de empezar, asegrate que la velocidad del diseo del roto sea el correcto para tu generador. La tabla de velocidades y dimensiones del primer captulo te dir el dimetro necesario para la energa que quieres generar. Algo recomendable es calcular tu rotor usando las ecuaciones que estn al final del curso. Una palabra de advertencia Las aspas son el elemento que ms sufre estrs en el aerogenerador. Si un aspa se rompe, podr volar varios cientos de metros y podra causar daos y hasta lesiones. Si planeas ubicar tu aerogenerador dentro de 100 metros de espacios pblicos, debes asegurarte al doble que las aspas son los suficientemente fuertes. Las fuerzas giroscpicas son el mayor peligro para los rotores pequeos en sitios turbulentos. Un rotor muy rpido, que enfrente vientos cambiantes, sufrir de fuerzas giroscpicas que se alternarn hacia delante y haca atrs, una por revolucin. Al menos que las aspas estn perfectamente aseguradas, estas saldrn volando. El peso del Aspa Un rotor pesado tendr ms problemas para empezar a girar que uno liviano, pero una vez que ya este girando se parar con mayor dificultad. La inercia extra de un aspa pesada en realidad no consume energa, pero puede perjudicar la habilidad de empezar a girar en buenas rachas de viento. Las aspas pesadas sufren de peores fuerzas centrfugas y giroscpicas, por lo que hay poca ventaja en hacerle aspa ms fuerte al hacerla ms pesada. La relacin de peso contra fuerza es muy importante. Para un estrs mnimo el aspa debera de ser ligera en la punta y fuerte en la base. Materiales para el Aspa La madera es probablemente la mejor opcin a la hora de construir aerogeneradores caseros, porque es liviana, fuerte, trabajable y tiene buenas propiedades contra la fatiga. Metales (en especial el aluminio) es propenso a la fatiga. El acero es pesado. El plstico es una buena opcin para hacer una turbina, de hecho la fibra de vidrio es comnmente usada. Pero para ello necesitaras hacer un molde. Este captulo se enfoca en hacer un aspa a partir de madera slida. Es importante que escojas madera slida, no un aglomerado o cosas por el estilo. Madera estilo triplay es la que buscamos.

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    Manufacturando las aspas Aqu hay una detallada descripcin paso a paso del proceso para fabricar tres aspas para un rotor de 3 aspas con un dimetro de 2.3 metros, y una velocidad de punta de 5.5. Pero puedes adaptar la tcnica para otra velocidad en la punta ajustando las dimensiones. Herramientas Necesitars lo siguiente: Una sierra manual (una segueta puede servir), un cincel de madera, un cutter, un spokeshave, un compas, pinzas, una regla, una cinta mtrica, un lpiz, una niveladora y un taraldro. Mantn tus herramientas bien afiladas. El ngulo del filo de la herramienta es muy importante. Materiales

    3 piezas de madera, de 150 x 50 x 1150 mm. 2 discos de madera, 12 mm de espesor y 300 mm de dimetro Pernos para sujetar 48 tornillos para madera galvanizados de 40z4 mm

    Paso 1: Las Estaciones Marca las estaciones en las piezas de madera (figura de abajo), en espacios equidistantes de 230 mm. La parte de la izquierda es la parte que ira sujeta al rotor. La quinta estacin es la punta.

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    Paso 2: Cortando el Aspa Resumen de Dimensiones Finales

    Estacin Ancho Declive Espesor 1 145 50 25 2 131 33 20 3 117 17 18 4 104 10 15 5 90 5 11

    Mide el ancho en milmetros usando la tabla de arriba, desde el lado que est ms cerca de ti, y mrcalo con puntos. Une los puntos con una lnea. Trata de visualizar el aspa terminada. La punta se mueve en el sentido de las manecillas del reloj. Revisa el nivel en cada una de las estaciones, debe de ser plano. Paso 3: Tallando las inclinaciones

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    En la imagen de arriba vemos el aspa desde el otro lado de cmo la veamos en la imagen del paso uno, el lado lder esta atrs y la punta esta a la izquierda. Marca un punto en cada lnea, a cierta distancia de la cara frontal. Llamamos a esta distancia el drop, de la tabla del paso anterior. Este determina el ngulo para esa estacin. Une los puntos para hacer la lnea de gua del lado afilado del aspa. Talla la madera por encima de la lnea del lpiz, el resultado final lo vemos en la parte C de la imagen de arriba. En la punta la lnea de lpiz debe de subir de nuevo haca la parte que no vamos a tallar a 100 mm de distancia. La raz del asa no debe de ser cortada, para que podamos ensamblarla al hub. Paso 4: Tallando el espesor Ahora ya tienes un pedazo de madera que parece aspa. El siguiente paso es remover madera de la parte posterior de la pieza hasta que alcancemos el espesor correcto. La ltima columna de la tabla del paso 2.

    Ahora hay que dibujar dos lneas como vemos en la figura de arriba, que te guiarn para hacer los cortes y dejar el espesor adecuado. En esta parte podemos tener un error de hasta 0.5 mm en el espesor de cada estacin. Realiza este paso con mucho cuidado, porque si te pasas demasiado del espesor de una determinada estacin, esa pieza de madera se desperdiciar y tendrs que comenzar de nuevo. Es importante sealar que la punta no tiene que ser tallada o cortada, ya que necesitamos la mxima fuerza ah, y ya vimos en el captulo anterior que el no tener una parte afilada aqu no nos afecta mucho en la eficiencia del rotor.

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    Paso 5: Lijando las secciones

    En este paso ya debers tener un aspa con el espesor y el ngulo correcto. Lo que hay que hacer en este paso es redondear el aspa, como vemos en la figura de arriba. Es importante poner atencin en no rebajar el espesor de las secciones. Tambin debemos dejar toda el aspa lo ms lisa que podamos con una lija. Hay que hacerlo con mucho cuidado para remover la menor cantidad de madera posible y respetar al mximo el espesor y ancho del aspa sealados en la tabla del paso 2. Paso 6: Ensamblando las aspas del rotor Asegrate que el espesor sea el mismo en la base o raz de todas las aspas. Reduce un poco algunas si es necesario. El espesor exacto no es necesario, siempre y cuando no rebajes en exceso una de las aspas y todas sean iguales.

  • 41

    Cada una de las aspas debe de ser cortada segn la imagen que vemos arriba. Mide el centro exacto de cada una de las races de las aspas y dibuja lneas hacia bordes a un ngulo de 60, mrcalos por adelante y por atrs y corta. Ahora colocamos todas las aspas juntas encajando entre si (como en la imagen de abajo), y se sujetarn con los discos que cortamos antes, uno de cada lado. Marca con un lpiz cada una de las aspas a 152 mm de la punta (por delante y por detrs) para ayudarte a centrar los discos. Taladra 8 agujeros ms o menos en la posicin en que se ven en la imagen para sujetarlas a los discos. Otra forma de corroborar que hemos hecho de manera correcta el corte a 60, es medir la distancia de punta a punta entre las 3 aspas y que estas coincidan, si no coinciden, pueve un poco las aspas dentro de los discos para que las 3 puntas estn a la misma distancia una de la otra. Podemos tener un error de hasta 5mm, pero si hay ms diferencia entre las distancias el aerogenerador vibrar. Para pintar todo el rotor, ser necesario desmantelar esto que hemos armado, por lo que es importante que marques cada una de las aspas y la posicin de los discos con cada aspa para que no tengas problemas a la hora de armar el rotor de nuevo.

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    Pintando y Balanceando las Aspas

    Altas velocidades de punta causan una rpida erosin en el material del aspa. Los lados principales del aspa necesitan tratamiento especial (figura de arriba), podemos reforzarla con cinta. Aplicar la cinta despus de pintar. Puede ser desde cinta de aislar hasta esa cinta gris tejida industrial que tiene mucha resistencia y puede ser fcilmente remplazada. Pintado Imprima la madera con cuidado, y aplica varias capas de pintura. Roca arena antes de poner la ltima capa. Balanceo Es esencial balancear las aspas con cuidado. El objetivo es asegurarnos que el centro de gravedad del rotor esta exactamente en el centro de este, y por coincidencia en el centro del eje. Esto se conoce como balance esttico. El balanceo dinmico no es necesario, si te aseguraste que las puntas de las aspas estn equidistantes.

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    El balanceo se debe de hacer bajo techo, en un lugar con suficiente espacio, libre de corrientes de aire.

    Aqu hay un mtodo para hacer un balanceo esttico. En un pedazo de madera sobrante clava un clavo del doble de largo que el espesor del pedazo de madera, de tal manera que la punta del clavo sobre salga del otro lado de la madera. Necesitas comprar un clavo grande, de al menos 100 mm de largo y de preferencia para concreto, ya que el clavo necesita soportar el peso de todo el rotor. Ahora coloca el centro del roto, en teora el centro de los discos de madera, de donde agarrars el eje del generador sobre la punta del clavo y fjate haca que lado se inclina el rotor. Aade peso al lado opuesto. Si la inclinacin del rotor es poca, puedes colocar un poco de cinta en las otras dos puntas que no estn cayendo hasta que el rotor se nivele. Con esto hemos completado el rotor de nuestro aerogenerador, posiblemente la parte ms satisfactoria de construirlo, y es una tarea relativamente sencilla para alguien con herramientas simples, con paciencia y con entusiasmo. Recuera que el captulo completo lo puedes leer en unos cuantos minutos pero que la realizacin del rotor te puede tomar muchas horas de construccin, no trates de hacerlo a la ligera, dedcale el tiempo que sea necesario para que te quede lo mejor posible.

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    Capitulo 5: Generadores

    La parte ms difcil de disear un pequeo aerogenerador casero para producir electricidad es encontrar un generador apropiado. En este captulo analizaremos varios puntos. Que Buscar Necesitas un aerogenerador confiable con buena eficiencia especialmente con vientos leves. Los alternadores de imanes permanentes califican en este tipo, y son por mucho la eleccin ms popular en los diseos de aerogeneradores pequeos. Una mquina ya fabricada es la mejor opcin, ya que no hay que construirlo desde cero. Si este se produce de manera masiva costar menos dinero e incluso podrs conseguir uno de segunda mano. Mientras ms comn sea, ms fcil encontrars repuestos. Tristemente, los aerogeneradores no se pueden usar tal cual se encuentran para un aerogenerador. En este captulo nos enfocaremos en las posibles modificaciones que se le pueden hacer a un generador de baja velocidad existente. Frecuentemente puedes usar un motor como un generador, lo que nos amplia el panorama ampliamente. Algunos motores de corriente directa DC pueden ser usados sin modificaciones. Inclusive si construyes tu propio generador, puedes usar algunas piezas existentes que se producen en masa como punto de partida. Por ejemplo, las partes de los frenos de los coches pueden ser de mucha ayuda. Como trabajan los generadores

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    Imanes Los imanes tienen dos polos, el norte y el sur. El flujo emerge del polo norte y encuentra su camino de regreso al polo sur, como vemos en la imagen de arriba. Esto se llama un circuito magntico. Este flujo ama el acero, hierro y todo tipo de materiales magnticos. No slo el flujo los atrae, sino que la cantidad de flujo en el circuito magntico ser mucho ms grande si el circuito est hecho con estos materiales. Bobinas Los generadores tambin contienen bobinas de cables de cobre. Los cables e sobre estn recubiertos de una pelcula, quien asla a cada cable de su vecino. Las bobinas se pueden encontrar en dos tipos:

    Principales, o bobinas de salida, en donde la energa es generada Campo, o bobinas de excitacin, quienes necesitan ser alimentadas por corriente,

    para poder crear un campo magntico en la mquina. Esto se conoce como excitar la mquina.

    Los alternadores de imanes permanentes no necesitan de bobinas de campo, ya que estn excitados permanentemente. Estator y Rotor

    Los generadores tienen dos partes, una parte estacionara llamada estator y otra mvil llamada rotor. El estator es generalmente la parte de afuera, la que encapsula la mquina, mientras que el rotor es montado en un eje rotativo en el centro, ver figura de arriba. Aunque un arreglo opuesto es posible, y de hecho es bastante comn en los aerogeneradores. El eje es arreglado, y la envoltura rota alrededor de l. Este arreglo es conocido como envoltura impulsada, opuesta al convencional eje impulsado. Si el aerogenerador no necesita caja de cambios, las aspas pueden ser sujetadas directamente al rotor.

  • 46

    Los generadores funcionan al hacer pasar imanes por bobinas, o bobinas por imanes, realmente no importa cual se mueva. Lo que importa es el movimiento relativo. Por lo tanto los imanes pueden estar en el rotor o en estator. Tambin pueden estar adentro o afuera de la bobina. La ventaja de tener las bobinas en el estator, es que son fciles de conectar. Cables del flujo

    Los imanes y las bobinas en un generador estn configuradas de tal manera que el flujo de los imanes pase a travs de las bobinas, ver imagen de arriba. En otras palabras, el circuito magntico y el circuito elctrico estn enlazados uno con otro. En una posicin del rotor, el flujo magntico a travs de las bobinas es concentrado a travs de la bobina en una direccin. Conforme el rotor se mueve, el flujo en la bobina disminuye hasta cero y se regresa completamente. El flujo recircla en un ciclo sin fin, como las olas en el mar. Conforme las lneas del flujo cortan a travs de los cables de la bobina, el voltaje es producido. Esto es conocido como induccin electromagntica. La primera figura de abajo muestra un alternador simple e dos poleas. El eje carga un imn que gira, arrastrando el flujo por las bobinas que estn en el ncleo del estator.

  • 47

    La figura de abajo es una grfica de cmo el voltaje de la bobina cambia con el tiempo, conforme el rotor del alternador regresa.

  • 48

    Prdidas de Acero El hecho de que el flujo est cambiando en el ncleo contantemente afecta no slo a las bobinas de alrededor, sino tambin al acero del mismo ncleo. Nosotros no queremos estos efectos secundarios en el ncleo, ya que desperdician energa. Esto es llamado, prdidas de acero, y ocurren por dos razones.

    El acero est siendo magnetizado y des-magnetizado muy rpido. Este proceso consume energa. Aceros especiales que son magnetizados muy fcil ayudar a reducir la prdida.

    El cambio de flujo tiende a producir corrientes circulantes en el acero, siguiendo cualquier camino conductivo que se encuentre alrededor de las lneas de flujo. Un ncleo construido con lminas delgadas, aisladas una de otra, puede ser usado para romper con cualquier camino de circuito, y por lo tanto reduciendo las prdidas.

    Mquinas Multi-Polos Hasta ahora hemos visto un rotor que funciona con slo dos polos; norte y sur. Un imn tiene dos polos, pero puede haber muchos ms polos en un generador. El nmero de polos siempre es par, porque nunca puede haber un polo norte sin un polo sur. La figura de abajo muestra un generador de cuatro polos.

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    Frecuencia Si tenemos dos polos, el voltaje completa un ciclo completo por cada revolucin de la mquina. Si se tienen cuatro polos, se tendrn dos ciclos por cada revolucin. El ritmo al que el voltaje alterna es conocido como frecuencia. La frecuencia tambin vara en proporcin a la velocidad de rotacin (ver las ecuaciones del viento). Si el voltaje llega a 50 ciclos por segundo, entonces la frecuencia es de 50 Herts (50 Hz). Fase La mayora de los alternadores tienen ms de una bobina de salida. En los alternadores de una fase, puedes conectar todas las bobinas juntas en el mismo circuito. Esto es posible porque los ciclos en el voltaje de salida de las bobinas estn todos en sincrona con el otro. Tcnicamente se dice que las bobinas estn en fase una con la otra. Considera la figura de arriba, en donde hay cuatro polos y cuatro bobinas. Conforme el rotor gira, cada bobina tiene a un mismo polo al mismo tiempo. Puedes conectar todas estas bobinas juntas en serie, ver grfica de abajo, de esta manera producimos ms voltaje. Tambin puedes conectar las bobinas en paralelo para incrementar la corriente.

    En generadores en donde una bobina est viendo a un polo sur, y otra est viendo a un polo norte al mismo tiempo, simplemente hay que revertir la conexin de una bobina para que estas puedan trabajar juntas. Si estas abasteciendo a un nmero de circuitos, o si el suministro va a ser convertido a DC para cargar bateras, entonces es preferible usar un alternador de tres fases, con tres juegos de bobinas, todas produciendo corriente alterna AC con el mismo voltaje y frecuencia, pero fuera de paso. Las bobinas estn distribuidas en el estator (o el rotor) de tal manera que los polos pasen una bobina despus de la otra. La mayora de los electricistas van a asociar las palabras tres fases a un suministro de 415 volts, pero es perfectamente posible tener otros voltajes.

  • 50

    La figura de arriba muestra un estator de cuatro polos desdoblados en un rectngulo plano, para que el plan de bovinas en una fase sea mejor entendido. La posicin de los cuatro polos (en el rotor viendo a las bobinas) sea N,S,N,S, para destacar que las bobinas estn en fase. En contraste, la figura de abajo, nos muestra el plan de bobinas en una mquina de tres fases. Hay seis bobinas, en tres pares, unidas con lneas delgadas. El primer par esta en fase el uno con el otro, as como el segundo par, pero su tiempo es un poco diferente, y de la misma manera el tercer par produce electricidad de manera independiente.

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    En la grfica de abajo podemos ver el voltaje de las tres fases. Vemos que las tres dan el mismo voltaje a la misma frecuencia, pero est desfasados el uno del otro.

    Porqu molestarnos? Te preguntars. Ahora tenemos un total de seis cables saliendo de una misma mquina. Es un dolor de cabeza entender esto. Pero hay buenas razones para esto, como:

    En una mquina de una sola fase, todas las bobinas quieren estar en el mismo lugar, y hay grandes reas sin usar. Una mquina de tres fases hace un mejor uso del espacio. Esto puede resultar en un aerogenerador ms eficiente.

    Una mquina de una fase produce su energa por pulsos, mientras que una de tres fases lo hace de manera continua. Hay menos vibracin. Por lo que se consigue tanto ms energa como menos ruido.

    La corriente alterna de tres fases hace un mejor uso de los cables que tres dispositivos de una fase, quienes necesitaran tres veces la cantidad de cobre para hacer el mismo trabajo.

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    Conexiones Estrella y Delta

    Es algo normal conectar los tres circuitos juntos. No podemos conectarlos en serie o paralelo por el desfase de tiempo, pero pueden compartir algunos cables en comn. Hay dos opciones e conexin para las colas que se muestran en la figura de arriba. Voltaje El voltaje es el empuje que lleva la corriente alrededor del circuito. Los componentes de un sistema elctrico tienen que estar diseados para trabajar al mismo voltaje. Estamos acostumbrados a pensar en trminos de electricidad teniendo un voltaje en particular. Pero no te das cuenta del increble trabajo que se hace para mantener una constante en el voltaje de tu casa. El voltaje est determinado por el ritmo al cual los cables cortan el flujo. El voltaje puede ser incrementado por cualquiera de las siguientes razones:

    Velocidad de rotacin Fuerza del flujo Nmero de vueltas por bobina

    Pero a qu te refieres con voltaje? El voltaje no es una simple ventaja de corriente alterna que tenemos en casa, ya que est cambiando todo el tiempo, cae hasta cero, regresa, etc. Un voltmetro te puede dar una muy buena lectura.

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    Cada de Voltaje Interna Hasta ahora hemos asumido que el voltaje de salida de la mquina es un circuito abierto, as que no hay corriente que salga de la mquina. El voltaje de circuito abierto es tambin conocido como fuerza electromotriz (emf) del generador. Una vez que empiezas a sacer energa del generador, habr una prdida de voltaje. Considera un dnamo de 12 voltios. Conforme la velocidad del dnamo se incremente, tambin lo hace el voltaje, hasta que se alcanza la velocidad tope, por ejemplo, 1,200 rpm. Aqu es cuando el voltaje de circuito abierto es de 12 volts. A 2,000 rpm podra generar hasta 20 volts de circuito abierto. Pero cuando lo conectas a una batera de 12 volts, slo produce 20 volts a la misma velocidad, mientras empuja 20 amps de corriente a travs de la batera. La figura de abajo muestra una grfica del voltaje y corriente contrala velocidad. En la vida real otros factores alterarn la situacin, por ejemplo el cambio de flujo y el voltaje de la batera.

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    Suministros DC

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    La mayora de la electricidad producida con un aerogenerador casero es usada para cargar bateras. Si el aerogenerador usa un alternador, la AC debe ser convertida a DC. Esto se hace por medio de semiconductores llamados diodos que actan como vlvulas de una sola va para la corriente elctrica. Un nmero de diodos son ensamblados en un puente como se muestra en la figura de arriba. Un puente de tres fases puedes ser construido con el mismo principio (lo veremos ms adelante). Cada que la corriente pasa por un diodo se produce una prdida de voltaje de aproximadamente 0.7 volts. Para cargar la batera, la corriente debe de pasar por dos diodos en el puente. As que para cargar una batera de 12 volts, necesitamos un voltaje de salida de alrededor de 13.4 volts. As, ms del 10% de la energa es perdida en los diodos. Los puentes deben de ser montados en un pozo de calor (una pieza de aluminio con aletas) que remover el calor perdido y prevendr un incendio. La corriente empieza a fluir en pulsos en cuanto el voltaje mximo excede el voltaje de la batera y el voltaje de los diodos cae. Conforme el voltaje de entrada se incrementa, la corriente se vuelve ms fuerte y estable, en especial en armados con tres fases. Escobilla y Anillos de Frotamiento

    Ya vimos un alternador de magneto permanente con todas sus bobinas en el estator. La mayora de los motores y generadores tambin tienen bobinas en el rotor. Para conectar estas bobinas a un circuito elctrico externo, a los rotores se les instalan anillos de

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    frotamiento. Un anillo de frotamiento es una superficie suave de cobre, dentro de rotor. Los contactos deslizantes, llamados escobillas, son presionados contra los anillos Por ejemplo, la bobina de un alternador de coche esta en el rotor, ver figura de arriba. La corriente es alimentada a la bobina por medio de las escobillas y los anillos de frotamiento. La corriente tambin pasa por un regulador de circuito, que previene que el voltaje de salida exceda el mximo seguro para cargar la batera, sin importar la velocidad. Si se usan imanes permanentes, no hay necesidad de usar escobillas, pero no hay manera de controlar el voltaje de salida de esta manera. Las escobillas se desgastan, por lo que es recomendable un generador sin escobillas. Conmutadores

    En viejos tiempos, antes de que los semiconductores que rectifican existieran, era muy difcil cargar bateras de la AC. Tenas que usar un generador DC especial, llamado dnamo. El cuerpo del dnamo (el estator) cargaba los campos magnticos, ver figura de arriba). Dentro hay un rotor especial, llamado armadura, que tiene muchas bobinas y un conmutador. El truco para producir DC est en el conmutador y las escobillas que conectan la armadura de bobinas a un circuito de batera externo. El trmino conmutador significa literalmente un interruptor, y es exactamente lo que hace. La serie de bobinas en la armadura estn conectadas a segmentos de cobre en el conmutador. Las escobillas estn posicionadas cuidadosamente conforme los polos del campo de tal manera que siempre se conecten con las bobinas en una sola direccin. El resultado es que corriente directa sale de la mquina.

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    Los conmutadores tambin son usados en algunos motores, llamados motores DC, o motores universales. Cambiando la velocidad del generador La velocidad del generador es el problema ms grande en el diseo de un aerogenerador. La mayora de los generadores estn diseados para girar muy rpido para ser ensamblados directamente al rotor, pero hay algunos trucos que puedes usar para reducir la velocidad de operacin. Ya hemos visto que el voltaje producido por una bobina depende de la velocidad, el flujo y el nmero de vueltas. Hay un lmite mximo de cantidad de flujo. As que al operarlos a menor velocidad, tenemos que, o trabajar con voltajes menores, cambiar la disposicin de las bobinas de paralelo a en serie o usar ms vueltas por bobina. Tristemente, todas estas opciones reducen el mximo nominal de energa de salida en watts, sin reducir la perdida por cobre. Por ejemplo, puedes operar un alternador de 24 volts a media velocidad, cargando una batera de 12 volts. Pero si la corriente es la misma, slo obtendrs la mitad de la energa, porque la energa es voltaje por corriente. Las prdidas por cobre, sern las mismas. Ahora las prdidas por cobre sern el doble de la energa de salida, as que la eficiencia se ha visto afectada. Lo que queremos es mantener la misma eficiencia reduciendo la velocidad, entonces necesitamos cortar la corriente a la vez que el voltaje. La energa nominal es ahora reducida por el cuadrado de la reduccin de la velocidad nominal. Por ejemplo, a la mitad de la velocidad obtendremos una cuarta parte de la potencia de la mquina. Este es el precio que hay que pagar al operar con velocidades bajas; necesitas un generador ms grande en relacin a la energa de salida. Realmente no importa que tan pesado sea el generador una vez que est instalado en lo alto, pero su eficiencia es crucial, as que en la mayora de los casos el peso extra vale la pena. En el ejemplo de arriba cambiamos el voltaje para poder reducir la velocidad de operacin. Podemos tambin cambiar el nmero de vueltas por bobina o el acomodo de estas, para restaurar el voltaje inicial, pero esto nos lleva a una resistencia interna mayor, y la corriente tiene que ser disminuida en el mismo factor, por lo que no incrementamos la energa de salida. La razn para hacer estos cambios es para mantener la compatibilidad con el voltaje de la batera mientras trabajamos con una velocidad menor, y menor energa. Si hay campos de bobinas, la prdida constante en ellos ser ms significante conforme la energa nominal es reducida, por lo que no ser conveniente modificar el generador para trabajar con menos velocidad de operacin al menos que se tenga una buena eficiencia desde un principio. Tipos de Generadores Los generadores de alto voltaje no son cubiertos en este curso porque son raramente usados en aerogeneradores caseros.

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    Alternadores de Carro y Dnamos Los alternadores de coches son muy usados por los principiantes en la energa elica. Son de gran disponibilidad, tienen una potencia correcta, y estn diseados para cargar bateras. Sin embargo no son lo ideal para un aerogenerador. Su carga es muy ineficiente, ya que necesitan de corriente en el campo de bobinas. Loa alternadores de los carros modernos son construidos para ser baratos, ligeros y para trabajar a grandes revoluciones. Los dnamos tambin necesitan de corriente pero pueden ser una buena opcin para un aerogenerador, si puedes encontrar uno muy viejo. Esto puede parecer algo raro de decir, pero los dnamos antiguos fueron diseados para trabajar a menor velocidad, con nfasis en la eficiencia ms que en energa mxima. Para un aerogenerador de accionamiento directo necesitars un dnamo pesado, ms de 20 kg y 300 watts. Estamos hablando de equipo muy viejo, por lo que es difcil de encontrar. Hechos importantes de los dnamos y los alternadores. Los alternadores de carros y los dnamos son auto-excitados, lo que significa que sobre una velocidad dada, se cortan y excitan sus propios campos. En ambos casos, las bobinas estn conectadas en paralelo. El corte sucede espontneamente. Los imanes retienen un magnetismo restante dbil, lo que produce voltajes bajos. Esto produce una corriente baja, lo que intensifica el campo existente y produce ms corriente, as el voltaje crece. El voltaje mximo es alcanzado en alrededor de un segundo. Los alternadores no hacen el corte tan fcil. El campo de bobinas generalmente necesita poca corriente.

    Por arriba de la velocidad de corte, el voltaje de salida del dnamo se incrementa conforme se incrementa la velocidad. El voltaje mximo se alcanza con una velocidad de viento realista, mientras que con los alternadores necesitas de 3 o 4 veces la velocidad del viento para alcanzar la velocidad de corte y obtener el voltaje mximo, ver figura de arriba.

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    Los alternadores de coche en realidad limitan su propia corriente, lo que significa que (si se enfran de manera adecuada) son casi imposibles de sobrecargar, mientras que los dnamos si se pueden quemar si se empujan demasiado. Los rotores de alternadores tambin son capaces de sobrevivir a vientos fuertes, lo que destruira la armadura de un dnamo. En un dnamo antiguo puedes montar un rotor de hasta tres metros de dimetro, mientras que en un alternador de coche esto es menos impresionante. No existe una diferencia esencial entre un dnamo y un motor elctrico. La corriente fluir de la batera al dnamo y voltear el aerogenerador durante la calma, al menos que se instale un diodo de bloqueo para evitar esta corriente invertida. Por su parte un alternado no puede ser usado como un motor, y la corriente de regreso es bloqueada por un rectificador. A los dinamos no loes importa cual terminal es positiva y cual negativa. El dnamo sabe cul es su polaridad cuando es conectado a la batera. Los alternadores son severamente daados cuando se conectan al revs. A los alternadores no les importa en que direccin los gires. Un dnamo slo trabajar en una direccin, pero puedes cambiar la direccin de rotacin si cambias la forma de conectarlos. Los dnamos son muy silenciosos de operar, mientras que la mayora de los alternadores generan un zumbido. Trabajando con dinamos Los dnamos necesitan mantenimiento regular, en intervalos de aproximadamente un ao. Esto incluye remover la armadura del cuerpo, limpiar el polvo de carbn, limpiar la superficie del conmutador y limpiar y engrasar los soportes. Las escobillas deben de poder moverse libres dentro de sus cajas, y la superficie del conmutador debe de estar completamente libre de grasa. Es un trabajo sucio y tedioso, pero muy necesario. Si el conmutador no est trabajando de manera correcta, el dnamo no se podr auto excitar, por lo que el aerogenerador sobre girar. Puedes usar la velocidad nominal de 24 volts de un dnamo para cargar una batera de 12 volts. El campo de bobinas necesita ser re cableado en paralelo en vez de en serie para trabajar e manera correcta con un menor voltaje. La figura de abajo lo muestra.

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    Si eres lo suficientemente afortunado como para encontrar un dnamo de baja velocidad, ten cuidado en no sobrecargarlo. Altas corrientes te llevarn a que las escobillas se desgasten de manera apresurada. En el peor de los casos hasta la armadura se quemar. Trabajando con Alternadores de Coches

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    Si quieres buenos resultados es necesario que entiendas como esta conectado un alternador. La corriente del estator pasa a travs del puente rectificador de tres fases, lo que la convierte en DC para cargar la batera. Hay una terminal grande en el alternador, que esa conectada al positivo de la batera. El negativo se conecta a tierra. Nunca conectes la batera al revs, porque destruirs el rectificador. Nunca hagas funcionar el alternador rpido sin tener conectada una batera, o el voltaje se incrementar hasta niveles peligroso, lo que tambin puede daar el rectificador. El alternador de un coche requieres de un suministro de corriente haca el campo de bobinas, por medio de las escobillas. Esta puede ser sacada de la batera, pero seguir sacando energa de la batera cuando el motor (o el aerogenerador) sea parado. Para eso tenemos un rectificador especial, con nueve diodos, quienes proveen de un abastecimiento positivo del estator hacia el ampo de bobinas. Esta terminal rectificadora especial usualmente esta marcada IND para una conexin en el foco indicador. El foco slo se prender cuando no haya voltaje disponible del alternador. Cuando genera, hay el mismo voltaje a cada lado del foco, por lo que no brillar. La mayora de los alternadores de coches tienen un regulador interno, que controla el voltaje de salida. Esto no es bueno para usarse en un aerogenerador por lo que debe de ser removido. No puede sentir de manera fcil el voltaje de la batera, causando que se escape. Modificaciones a un alternador de coche Re cablea las bobinas del estator con ms vueltas, para que pueda trabajar al mismo voltaje pero a menor velocidad. Estudia las bobinas existentes conforme las remueves. Tienes que darle ms o menos el doble de vueltas de las que tiene. Ahora el alternador har el corte a una velocidad aceptable para un rotor de 1.5 metros de dimetro, pero la energa de salida y la eficiencia se vern reducidas. Tambin es posible modificar el rotor ponindole imanes permanentes. La eficiencia y la simplicidad se vern incrementadas de esta manera, pero la energa de salida seguir siendo menor. Alternadores de Imanes Permanentes Los alternadores de imanes permanentes tienen caractersticas muy similares a los alternadores de coches, excepto que no tienen campos de bobinas. Son la mejor opcin para un pequeo aerogenerador casero porque son ms simples y ms eficientes. Los imanes en el rotor no requieren no de escobillas ni anillos de frotamiento. No se necesita de corriente para excitar al campo, por lo que las prdidas se reducen con vientos lentos. El problema es que son difciles de encontrar, aqu hay algunas fuentes posibles:

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    Alternadores de bicicletas y motocicletas (baja energa nominal). Las de bicicletas son muy tiles para aerogeneradores muy pequeos, alrededor de 5 watts, porque tienen una velocidad de operacin muy baja, y los alternadores de motocicleta trabajan a mayores rpm y no son tan fcilmente adaptables a la corriente directa.

    Fabricantes chinos de alternadores para pequeas turbinas elicas. Para aquellos adictos al internet esta puede ser una gran opcin.

    Motores usados como generadores Como mencionamos ms arriba, los motores y los generadores trabajan de una manera muy similar, por lo que son frecuentemente intercambiables con pequeas modificaciones. De hecho, los motores siempre generan voltaje cuando estn girando. Este voltaje conocido como emf inverso es menor que el voltaje de suministro, por lo que el efecto continua siendo del suministro al motor. Conforme el motor acelera, el emf inverso se incrementa, la corriente de suministro cae, y el motor es regulado a una velocidad dictada por el voltaje de suministro. La diferencia entre motor y generador es simplemente cuestin de velocidad. Digamos que conectas un dnamo a una batera de 12 volts. Habr una velocidad de corteen la que la mquina genera exactamente los 12 volts. Furzalo para que gire ms rpido, y generar ms emf, causando que la corriente viaje hacia la batera. Hazlo que vaya ms lento, y producir menos, permitiendo que la corriente viaje de la batera lo que lo convirte ahora en un motor. El mismo principio aplica para los motores de corriente alterna. De hecho, la mayora de las grandes turbinas elicas conectadas a la red elctrica usan motores de induccin como generadores. Motores de Imanes Permanentes Los motores de los limpiaparabrisas y de los ventiladores en los coches con del tipo de conmutador, con imanes permanentes. Los aerogeneradores usan generalmente velocidades mucho ms altas de las que estos soportan, peor se pueden fabricar juguetes para hacer funcionar cosas de muy bajos voltajes. Los motores de encendido usan motores de imanes permanente soy en da, pero las escobillas slo estn diseadas para trabajar por periodos cortos de tiempo. Hay motores de imanes permanentes de DC disponibles, con velocidades bajas y una mayor eficiencia. La mayora de estos tienen conmutadores, y se comportan en mucho como los dnamos. Si un motor as est disponible a un bajo costo (como el de una lavadora vieja) lo puedes usar en tu aerogenerador. Slo trata de evitar grandes corrientes lo que puede quemar o daar el conmutador. Motores de Induccin Estos son los motores ms comunes de encontrar pero lo ms difciles de entender. Son baratos de producir, sin escobillas y con poco mantenimiento. El motor de induccin tiene todos sus devanados en el estator. De hecho el estator es muy similar al de un alternador.

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    El rotor es un simple cilindro de acero laminado que contiene con una caja de barras de aluminio incrustados, con un anillo de aluminio a cada lado. La corriente es inducida a estas barras por las corrientes en los devanados del estator, pero su explicacin completa va ms all de los alcances de este curso, ya que no es indispensable saberlo para construir tu aerogenerador. Es suficiente con decir que aunque no hay escobillas ni campos de bobinas, si se requiere de un campo de corriente. Cuando los motores de induccin son usados como generadores nicos, puedes auto-excitarse usando capacitadores. Este es un arte un tanto oscuro. Hay un muy buen libro sobre el tema llamado Motores como Generadores para Micro Energa Hidrulica, de IT Publicaciones. Los aerogeneradores son un caso ms difcil que los hidro generadores ya que la fuerza y la velocidad varan muy ampliamente, pero puede lograrse. El hecho de que los motores estn disponibles a un bajo costo en una variedad de tamaos simplifica el problema de construir este tipo de aerogeneradores. Gastar en motores energticamente eficientes vale la pena. Construir un Alternador de Imanes permanentes desde cero Si el costo de los alternadores de imanes permanentes es prohibitivo, entonces construir el tuyo es una opcin muy prctica. Aqu hay unos tips. Imanes Cermicos Los materiales para los imanes permanentes han avanzado en los aos recientes. Existen muchos tipos para escoger: cermica, aleaciones, imanes de tierra todos estos muy superiores a los viejos imanes de acero. Los ms baratos y sencillos de usar son los imanes de cermica, hechos de material ferroso. Otros imanes tienen una densidad de flujo mayor y menor peso, pero los ferrosos son relativamente baratos y estables. Busca un material llamado Ferroba3, o Ferroxdure 330, dependiendo del proveedor. Los proveedores pueden ofrecer catlogos con tamaos estndar de los bloques magnticos. Tambin pueden cortar los bloques para ajustarse a tus requerimientos, y entregrtelos pre magnetizados. Usan sierra de diamante para cortarlos. Tambin puedes cortarlos con un disco cortador de piedra. Para hacer un alternador vas a necesitar encontrar o construir una mquina adecuada con un rotor y un estator. Pegar los imanes al rotor de tal manera que un circuito magntico atraviese los cables que habrs ajustado al estator. El circuito magntico debe de estar hecho de los materiales adecuados. El acero o el hierro servirn para el rotor, pero el centro del estator debe de estar laminado. El aluminio y el plstico no son adecuados para el circuito magntico. No hay lmite para el nmero de diferentes formas de mquinas en las que puedas imaginar. Pueden clasificarse como mquinas de campo, radiales o axiales, dependiendo la direccin del flujo del aire. Ver figura de abajo.

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    Mquinas de campo radial La mayora de las mquinas elctricas tienen campo radial. Los alternadores de los coches y los motores de induccin son buenos ejemplos de ello. Puedes convertirlos a alternadores de imanes permanentes al ajustar los imanes a los rotores usando varios boques rectangulares de imanes para crear la aproximacin de un crculo. Algunos fabricantes de aerogeneradores en Holanda usan cuerpos de motores de induccin como la base para sus alternadores. Usan muchos polos y ajustan el estator con muchos ms alambres que los de un motor de induccin. El problema con este tipo de arreglos es que los bloques magnticos estn sujetos a fuerzas centrfugas muy poderosas, combinadas con cambios largos y frecuentes en la temperatura. Estas condiciones son muy demandantes para el pegamento. El otro tipo de arreglo de campo radial es poner el rotor en la parte exterior. Dos de las ventajas de este arreglo es que las fuerzas centrfugas presionan los imanes contra el rotor, en vez de jalarlos; entonces se puede usar el tambor del freno e incluso la rueda de un vehculo como rotor. Los rotores de llantas son baratos y lo suficientemente fuertes para soportar las aspas del rotor atornilladas al hub. Para construir el estator de una mquina de este tipo necesitamos encontrar un ncleo laminado, al cual podamos ajustar las bobinas de salida. La parte exterior de este ncleo debe estar cerca de las caras del imn, dejando solamente espacio de aire para que pase la corriente. Un espacio de aire muy grande implica una menor densidad de corriente, pero cuando la corriente proviene de imanes ferrosos slo hay una pequea prdida de desempeo si el espacio es de alrededor de 1mm. La ventaja de un espacio amplio es que hay menor peligro de que el rotor y el estator hagan contacto por la holgura del rodamiento o la distorsin, como comnmente pasa en la prctica.

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    La figura de arriba muestra el mejor tipo de laminados para este tipo de mquinas, pero son difciles de encontrar en la actualidad. La mayora de motores que se pueden obtener como chatarra son los motores de induccin, con ranuras en el interior del ncleo. Sin embargo, hay proveedores especialistas en laminados o estatores completos.

    La figura de arriba una opcin alternativa, usando los laminados de un motor de induccin comn. Por ejemplo, un tambor de frenos de calibre 254 mm de una camioneta de doble eje trasero, como una Ford Transit, puede usarse con bloques de imn de 20 mm de grosor pegados alrededor en la parte interior, y laminados de 203 mm de un motor elctrico. El espacio de aire resultante de cerca de 5 mm, es lo suficientemente grande para que se puedan pegar las bobinas a la superficie de la pila de laminados. Este tipo de arreglo es menos poderoso que un alternador con laminados exteriores, ya que hay menos espacio para los devanados y porque mayor parte del flujo de corriente de los imanes se transmite de un polo al siguiente sin cortar ningn cable, pero el arreglo es

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    muy eficiente para salidas de bajo podre (en vientos ligeros). Las prdidas de acero son menores que con los laminados exteriores, as el inicio es ms fcil. Mquinas de Campo Axial Un campo axial significa que las lneas de flujo que cruzan el espacio de aire son paralelas al eje, brincando de un disco a otro. El tipo ms comn de alternadores de imanes permanentes de campo axial es el alternador con espacios de aire, como los usados en los molinos de viento de Rutland.

    La figura de arriba muestra los discos magnticos de un alternador de espacio de aire vistas desde el borde. Hay dos discos con varios polos 8 o ms vindose unos a otros. El polo norte de un disco encara el polo sur del otro y viceversa. El flujo pasa a travs del espacio en ambas direcciones. Los grandes aros magnticos de las bocinas se utilizan comnmente, magnetizados con varios polos utilizando una plantilla especial. Si lo estas construyendo tu mismo, puedes pegar bloques cermicos premagnetizados a las caras de

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    discos de acero. Una ventaja de este tipo de arreglo es que los bloques magnticos funcionan como las aspas de un ventilador, permitiendo que el aire circule a travs del estator y lo enfre. El disco del estator se coloca en el espacio entre los dos discos magnticos. Este consiste en un grupo de bobinas incrustadas en resina (una resina de polister, como las usadas e