CONSTRUCCIÓN DE TURBINA EOLICA DE EJE VERTICAL

Habrás notado que una gran parte de las entradas en este Blog, están dedicados directa o indirectamente a la generación de energía eléctrica, por ejemplo, motores Stirling, paneles solares,  generadores hidráulicos o aerogeneradores de diversos tipos. Es por ello que hoy sumado a esta iniciativa te presentare un modelo de aerogenerador de eje vertical de tipo H, el cual te permitirá observar los conceptos detrás de su tecnología, ventajas y desventajas, su oportuno funcionamiento y construcción.

Antes de iniciar queda aclarar que escogí este tipo de rotor por su mejor rendimiento en ambientes urbanos, ya que como sabrás la dirección del viento pocas veces se encuentra definida en estos ambientes (producto de la interacción con otros elementos aledaños), a pesar de ello la eficiencia se encuentra por debajo de una turbina estándar de eje horizontal de sustentación, para visualizar la idea ilustrativamente en esta grafica puedes notar la relación entre el coeficiente de potencia y la relación TSR.

Me base en modelos planteados a través de diversos estudios, Especialmente en el titulado “DISEÑO DE UN PROTOTIPO DE TURBINA EÓLICA DE EJE VERTICAL PARA PRUEBAS DE LABORATORIO” en el cual se diseña y estudia la aerodinámica de una pequeña turbina eólica de eje vertical tipo H. Haciendo énfasis en el efecto que tiene el ángulo de Pitch en la eficiencia del mismo. (INDICAN: Rescatando que las pruebas del prototipo de turbina eólica se definieron a partir de estudios previamente realizados por otros autores ya que la norma internacional que regula este tipo de equipos (IEC 61400) no contempla ninguna clase de pruebas aerodinámicas).

Este modelo contempla el uso de 3 palas de 2m separadas por un ángulo de 120°, las cuales se encuentran acopladas a un eje principal y este último montado en la torre. Para iniciar tome como base rodillos de un mecanismo reciclado (no estoy seguro de su procedencia), los cuales me sirvieron para realizar la estructura de soporte del eje principal y las palas.  Estas últimas (fueron planteadas inicialmente a 2m y posteriormente reducidas a 1,2m) son las encargadas de la captación de la energía del viento. Por lo cual, la variación de parámetros como el ángulo de pitch, el perfil aerodinámico, material o la geometría interna de estas, produce la alteración directa en la generación de energía (Así que mucho cuidado).

PALAS

El perfil alar seleccionado es un naca 0018 , el cual fue extraído de “Airfool Tools”, al cual posteriormente se le dio una longitud de cuerda de 0.22m, Si deseas más información acerca de los modelos, te invito a consultar la página que contiene una gran base de datos con características específicas del tipo de perfil alar que necesitas. Posteriormente se realizó una plantilla en cartulina , la cual fue plasmada 36 veces en un plástico llamado cintra (el cual por si te interesa también fue reciclado).

Los rodillos (anteriormente mencionados) tienen una longitud aproximada de 58.5 cm, por lo cual tuve que colocar uno tras otro hasta obtener una longitud de 2m (4 rodillos por pala para ser exactos). Inicio con dos rodillos para la parte central, los cuales fueron cortados en un lado de sus extremidades, posteriormente unidos a través de pegamento epoxico y un cilindro de plástico (este último venia incluido en el propio rodillo).  Para las extremidades la unión de rodillo a rodillo fue realizada empleando cianocrilato con cola de carpintero y cintas de papel, sin duda no lo más adecuado, pero como habrás notado en el video del motor Stirling esta combinación me permitió ganar estanqueidad y dureza requerida.

Realizo uno o dos agujeros (depende de la ubicación del perfil alar en la estructura) en el perfil alar de tal forma que pueda encajar los rodillos previamente seleccionados.

Paso a lijar estos agujeros de tal forma que el encaje entre los rodillos y las láminas de perfil alar sean lo más prolijos posibles. Para darle espesor a mi estructura, por cada dos laminas del perfil alar coloque una cinta de la misma cintra, uniéndolos con alambre en disposición en u (similar a una grapa), para lo cual con tal de facilitar la tarea realice agujeros guía por donde coloque los mencionados alambres. Con la finalidad de darle mejor flexibilidad a la cinta de cintra procedí a darle unos golpes para delinear el doblez como si de una guía se tratara, esto facilita en gran medida el dobles, por lo cual recomiendo que realices algo similar si te animas a emplear cintra como yo.

Para asegurar mejor el conjunto empleare silicona para vidrio entre las uniones de cintra a cintra, puedes añadir algunos alfileres de sujeción adicionales o también envolver el conjunto con algún tipo de cuerda, con la finalidad de mantener su estructura deseada mientras el pegamento cumple su tiempo de espera. Finalmente, solo resta encajar uno a uno los perfiles alares con la ayuda de silicona para vidrio en la unión de varillas de 2m, cabe resaltar que este proceso fue repetido 2 veces más con la intención de obtener 2 palas, sumando un total de 3 en conjunto con la anterior.

SEPARADORES

Con la finalidad de sostener las palas a una distancia  de 1,5m respecto al eje principal procedo a realizar cortes sucesivos en una tabla, de aquí obtendré varillas de 1,5 x 0,035 x 0,02 m que  tendrán 2 agujeros separados a  4cm en un extremo para colocar tornillos y tuercas de sujeción y en el otro extremo un agujero del tamaño del rodamiento a colocar, en mi caso 1.8 cm de diámetro, (si deseamos ser precisos es necesario considerar el diámetro del eje principal en la extensión de la varilla).

TORRE

La torre fue realizada empleando 3 tablas, de las cuales una poseía el doble de ancho que las anteriores, esta ultima la coloque en la parte inferior del conjunto y las dos restantes en la parte superior, asimismo para mantener la distancia situé 4 varillas en las esquinas, notaras que para adherirlas de mejor forma realice 4 cortes previamente en las esquinas de mis tablas. En estas imágenes puedes observar las dimensiones estimadas del conjunto

Entre la parte superior e inferior de la estructura coloque un rodillo de mayor diámetro que tenia acoplado al eje un engranaje, el cual me sirvió para posteriormente multiplicar la velocidad del rotor (cabe resaltar que este rodillo aun mantenía sus cojinetes, así que aproveche y los monte con el conjunto realizando agujeros en las tablas, por lo cual la baja fricción estaba asegurada).

 

EJE PRINCIPAL

Para realizar el eje principal, procedo a unir 3 rodillos, de los mismos empleados en la estructura de las palas, pero esta vez la unión deberá conformarse como si de una sola varilla se tratara, lo resaltable es que estos rodillos son tubos de aluminio cubiertos con plástico, por lo cual unirlos supone cortarlos en los extremos y entre las uniones colocar una tubería de menor diámetro, esta última fue de metal, ya que el eje principal mantendrá gran parte del peso de la estructura.

La unión fue realizada empleando pegamento epoxico (también puedes usar soldadura en frio),  el cual cumplió bien con su función. Para reforzar aún más este eje, añadí secciones de tubería de mayor diámetro en el exterior de las uniones (tuberías también de aluminio por si te interesa el dato).

Procedo a cortar 4 tablas cuadradas a las que perforo un agujero de 2.5 cm de diámetro en la parte central, esto con la finalidad de acoplarlas al eje principal. Luego alrededor de estos agujeros procedí a perforar 6 agujeros de los cuales cada pareja se encontraba separada con un ángulo de 120° debido a la disposición de las palas.

Estos trozos de madera harán las veces de arandela para mantener fijas las varillas, la función de los agujeros es permitir que tornillo y tuerca se enlacen con las varillas de 1,5m por lo cual aseguramos la rigidez y practicidad al ensamblar la estructura.

De las 4 tablas cuadradas procedo a tomar 2, las cuales ubico en la parte superior e inferior del eje principal con una separación de (92 cm). Para fijarlas utilice pegamento epoxico , priorizando sellar ranuras o grietas, como puedes apreciar en imagen dejo un trozo en la parte inferior, el cual tendrá la función de acoplarse con el rodillo de mayor sección que se ubicó previamente en la torre, para la parte superior preferí no dejar espacio, pues la intención es continuar con el proyecto y realizar una variación automática del ángulo de pitch, lo cual otorga un poco más de eficiencia al diseño.

CAJA MULTIPLICADORA

Para la caja multiplicadora se emplearon 4 engranajes sin contar el que ya poseía el rodillo anteriormente mencionado y el que posee el propio generador. Este último fue reciclado de una impresora (si, como podrás intuir se trata de un motor DC), el cual puede funcionar como generador o motor. Esto fue abordado en este video (LINK EN LA DESCRIPCION).

Al parecer estos engranajes proceden de un mecanismo de impresión en papel, muy robusto, por cierto, ya que si somos observadores 2 de ellos son metálicos y los restantes de plástico. Para encajar este conjunto de engranajes, examino mi torre y la disposición de los primeros mencionados, luego de detallar posibles zonas de soporte me animo a perforar en las tablas y armado con tuercas y tornillos procedo a asegurar definitivamente la caja. Posteriormente me emplazo a colocar el generador, tratando de buscar una posición que no frene todo el conjunto.

Las pruebas en vacío me dieron como voltaje máximo unos 12,5v y una corriente de cortocircuito de 0.25 A, me atrevo a decir que bastante inferior a la potencia que podríamos obtener de este modelo de turbina, la razón se debe a que no toda la energía mecánica es convertida en energía eléctrica, pues veamos solamente el tamaño del generador. Sin duda este último tiene sus contrapartes, pero el tiempo apremia así que fue lo empleado, no estaría nada mal construir un generador y acoplarlo en el eje (yo también quisiera… pero ya veremos) recuerda suscribirte, tu apoyo es importante en este viaje.

El proyecto estuvo congelado un poco más de 8 meses y a la reapertura tuve algunas interrogantes acerca del sistema, pues la estructura no era lo suficientemente rígida, por lo cual pase a recortar las palas de los 2m a unos 1,2m, también pase a reducir el radio de 1,5m a 97,5 cm (como podrás notar se conservan las proporciones). Esto último fue acertado pues como veras más adelante el comportamiento del sistema es bastante superior. Algo resaltable de comentar es que el área de barrido se vio reducido pasando de los 1,5x2x2= 6m2 a los 0,975x2x1,20 =  2,34m2

 

Ya solo quedaba cubrir la estructura de las palas con alguna cubierta, en mi caso este plástico transparente (ten en cuenta que al momento de cubrir el conjunto es necesario extender o estirar lo mejor que puedas el plástico con la finalidad de mantener todo templado y preservar fielmente la forma del perfil alar). Previamente es necesario reforzar las palas, para ello utilice trozos de alambre que los coloque cercanos al borde de fuga de los perfiles alares.

Ahora sí, asegurándome de esto, tome los trozos de plástico transparente que corte a la medida de las palas y pacientemente fui uniendo uno a uno hasta llegar a obtener las 3 en cuestión, recordando siempre mantener lo más tendido posible el mismo.

Vamos a montar ahora si el conjunto torre rotor, para ello tomo el eje principal y uno a uno voy colocando tornillos en la tabla cuadrada inferior que poseía los 6 agujeros, asimismo voy tomando una a una las varillas de 97,5 m e insertándolas en las mismas, para sellar el conjunto a modo de sándwich, tomo otra tabla cuadrada y la inserto para terminar de asegurar el conjunto con las tuercas

Deberá quedar cada varilla de 97,5 a una separación de 120 °. Ahora tomando el eje principal lo insertamos en el agujero del rodillo de la torre, de esta forma nos resultara más sencillo colocar las otras 3 varillas restantes de la parte superior. El procedimiento es bastante similar al realizado en la parte inferior, por lo cual deberás tener 2 sándwich uno en la parte inferior y otro en la parte superior.

Finalizado ello paso a colocar los cojinetes en los extremos de las varillas de 97,5 cm y posteriormente uno a uno y con bastante cuidado voy colocando pala a pala asegurando siempre el extremo inferior y superior del rotor con cada pala. Pues bien, esto sería todo con respecto a la construcción, mencionarte que, si colocas cojinetes como yo en la unión del rotor con las palas , notaras que estas últimas van moviendo, en caso que no desees que ocurra esto, pues simplemente puedes fijarlo realizando agujeros del tamaño que sea necesario o agregando una varilla adicional de sujeción para el conjunto.

Las palas tienen en sus extremidades varillas metálicas, y estas son las que aproveche para unirlas con los cojinetes pequeños. Para probar el sistema y con fines de diversión coloque un led , que llego a encender con facilidad, luego para ser más didácticos coloque un motor como indicador de producción energética, aparte del uso del multímetro que puedes observar muy bien en el video.

La producción máxima que llegue a obtener fue 7.8V con carga conectada a la salida. Algunas ráfagas de viento tambaleaban la torre, pues como notaras aún para las pruebas la torre poseía solo cuatro puntos de apoyo, tengo claro que estos puntos de apoyo necesitan triangulación y una base de madera la cual añadiré posteriormente.

Recuerda que este modelo tuvo la finalidad de estudio, sin embargo, tiene cualidades que pueden hacerlo resistente ante la intemperie, procurando evitar preferiblemente el contacto con agua (lluvias en otras palabras). Recuerda siempre tener cuidado de donde coloques el conjunto y piensa en los escenarios posibles.

¿Qué te pareció la entrada? Sin duda un proyecto agotador, espero tus comentarios e iniciativa para desarrollar el tuyo propio, quizá con mejores materiales, no dudes en suscribirte darle like, y compartir. Sigue adelante y nos vemos en la próxima oportunidad.