Generador Eólico Savonius

Cómo construir un generador eólico con un barril de petróleo de 200 litros para producir energía sin el contenido del mismo(generador Savonius)

1. Introducción

“Piensa globalmente, actúa localmente”

Tarde o temprano, el calentamiento global y la escasez (o el precio) del petróleo nos obligarán a buscar energías más respetuosas con la naturaleza.Este breve manual te dará una idea de cómo se puede construir un aerogenerador con uno o dos barriles de acero de 200 litros, de esos que se utilizan para transportar petróleo. Esta sencilla máquina se llama generador Savonius, en honor a su inventor.Su potencia es bastante humilde, pero es una máquina muy bella, económica y relativamente fácil de construir. Otra gran ventaja es que al tener el eje vertical, la dirección del viento no tiene importancia.¡Pero ojo: como toda máquina que gira, un aerogenerador es un artefacto bastante peligroso!¡Hay que utilizar piezas MUY ROBUSTAS y mantenerse alejado del rotor en movimiento!

2. Unas palabras sobre la energía eólica en general

2.1 El señor Betz

, la energía del viento y la potencia de un aerogenerador. La máxima potencia que le podríamos “sacar” al viento, ya sea con un molino de viento “quijotesco” o un aerogenerador de última generación (en lo siguiente “eólica”), se calcula con la siguiente fórmula:

P = 0,29 · D2· V³

• P es la potencia expresada en vatios [W]

• D es el diámetro del rotor en metros [m]

• v es la velocidad del viento en metros por segundo [m/s].

Esta sencilla fórmula es fruto del señor Betz, un sabio alemán que en 1926 publicó el primer tratado sobre la teoría aerodinámica aplicada a las turbinas eólicas. Esta fórmula también es conocida como límite de Betz.Lo primero que salta a la vista es que la potencia aumenta con el cubo de la velocidad del viento, o, expresado de otro modo, “a más viento, mucha más energía”.

Sin embargo, en la vida real no será posible alcanzar este valor, ya que todos los componentes de una eólica tienen pérdidas aerodinámicas o mecánicas (el rotor, los cojinetes, el sistema de transmisión, el generador, los cables, la batería para almacenar la electricidad producida, etc.).De modo que para estimar la potencia máxima de una eólica real usaremos la siguiente fórmula: P = 0,15 · D2 · V³

Ejemplo:

¿Qué potencia máxima podría generar una eólica cuyo rotor tiene un diámetro de 6 metros?.

Si el viento sopla a 10 m/s (= 36 km/h), la potencia del molino será P = 0,15 · 36 · 10³ = 5400 [W] = 5,40 [kW] (1 kW = 1000 W)

Pero si sopla a 20 m/s (= 72 km/h), la potencia será P = 0,15 · 36 · 20³ = 43200 [W] = 43,20 [kW]

Conclusión: a doble velocidad del viento

Fig. 3.1-1 Principio de un aerogenerador Savonius

Fig. 3.1-2 Definición de las medidas D, d y e

3.2 Descripción

El rotor consta de las dos mitades de un barril de 200 litros, unidas abajo y arriba por sendas barras de refuerzo, que a su vez irán fijadas al eje. Las dos mitades del barril se pueden fijar a estas barras mediante remaches o tornillos.

El eje del rotor se soldará a estas barras. Debido a la gran resistencia que este rotor ofrece al viento, es conveniente utilizar cojinetes en ambos extremos del eje. Estos cojinetes se fijarán a un marco de acero robusto, que deberá tener la suficiente anchura para dar cabida al rotor, a la polea de transmisión y el alternador o dinamo (generador eléctrico). El marco deberá anclarse sólidamente a una base lo más elevada posible (columnas, torreta), en un lugar donde el viento pueda circular libremente (a cierta distancia de la casa o de otros obstáculos (muros, árboles etc.). Los pequeños montículos o elevaciones del terreno siempre ofrecen mejores condiciones para el viento. No es conveniente montar el rotor Savonius sobre un muro, ya que éste disturbará la libre circulación del viento.

Las dos mitades del barril deberán fijarse a las mencionadas barras dejando una ranura o espacio entre ellas (distancia e en la Fig. 3.1-2). Para un barril estándar (altura H = 90 cm, diámetro d = 57 cm, aproximadamente), la ranura deberá tener una anchura de e = 10 cm.

(Para otros rotores Savonius

e_opt = d/6).

(Esta ranura es bastante importante, ya que a través de ella puede pasar el aire, aumentando así el rendimiento de rotor).

Nota: Buscar también imágenes de “generador Savonius” en Internet. Hay muchas que os darán una idea de cómo construir el vuestro. Ejemplo:

Fig. 3.2-1 Generador Savonius con dos “barriles” superpuestos = doble potencia

3.3 Potencia de un generador Savonius

Según mediciones realizadas en un túnel de viento, la potencia máxima que un rotor Savonius construido con un barril puede desarrollar es:

P_max = 0,18 · H · D · v³ [W]

Sin embargo, teniendo en cuenta todos los rendimientos del conjunto (rotor (50%, sistema de transmisión (90%), alternador de coche (50%)), la potencia máxima de un aerogenerador construido con 1 barril será de aproximadamente (H·D = 0,94 m²): P_max = 0,08 · v³ [W]

Nota: para obtener la potencia en vatios [W], la velocidad del viento v deberá introducirse en metros por segundo [m/s] y la altura H y el diámetro D en metros [m].

De modo que para un viento de 10 m/s (= 36 km/h), nuestro generador Savonius (1 barril) desarrollará una potencia máxima P_max = 80 W.

Si viviéramos en un lugar con un viento constante, que soplara durante las 24 horas del día a una velocidad media de 10 m/s, la energía diaria que podríamos producir sería: E = 80 W · 24 horas = 1920 Wh = 1,92 kWh

En los modern times que nos han tocado (sobre)vivir, esto parece poco (un aparato de aire acondicionado consume esta energía en poco más de una hora), pero como por fuerza tendremos que ir a menos, con 2 kWh se puede iluminar modestamente una casa y hacer funcionar algunos aparatos pequeños (lámparas de LED's, radio, PC portátil) durante un tiempo aceptable...Si además tenemos montados unos paneles solares sobre el tejado, esta energía puede incrementarse en la medida oportuna.

La siguiente tabla muestra la potencia y la velocidad de giro aproximadas que nuestro generador Savonius tendrá en función de la velocidad del viento:

En realidad, para vientos por encima de los 12 m/s, estas velocidades de giro serán algo inferiores, siempre y cuando las baterías se están cargando (sin carga, el rotor se embala)

.

La Fig. 3.3-1 muestra las curvas características de un rotor Savonius en función de su velocidad de giro para cuatro velocidades del viento (8, 10, 12 y 14 m/s). Las curvas superiores corresponden a la potencia y las inferiores al par de giro desarrollados por el rotor.

Fig. 3.3-1 Curvas características de un rotor Savonius (construido con un barril de 200 litros, Fig. 3.1-1)

3.4 Factor de multiplicación

Antes de empezar, decir que un alternador de coche no es la mejor elección para un aerogenerador. El rendimiento de estas máquinas es pésimo (fruto del bajo precio del petróleo de antaño): no suele pasar del 50%. Sin embargo, la ventaja es que son robustos, baratos y fáciles de conseguir. Si no necesitamos urgentemente un mayor rendimiento de nuestro aerogenerador, podemos empezar con un alternador de coche.

Para que un alternador de coche empiece a suministrar amperios, su velocidad de giro debe ser bastante elevada (mínimo aprox. 750 rpm). Como hemos visto más arriba, el rotor gira a bastante menos velocidad, de modo que tendremos que multiplicarla. El método más simple y económico es utilizar dos poleas de diferente diámetro y una correa de transmisión (ver Fig. 3.1-1). El alternador de coche ya lleva su correspondiente polea, cuyo diámetro generalmente oscila entre 4 y 8 cm.

A continuación, la característica corriente versus velocidad de giro de un alternador de coche:

Fig. 3.4-1 Característica corriente-velocidad de giro de un alternador de coche

Vemos que el alternador empieza a suministrar corriente a aprox. 750 rpm. A unas 1250 rpm, la corriente es de aprox. 27 amperios.

Si la tensión de carga es de 14 voltios, la potencia suministrada por el alternador a 1250 rpm será aproximadamente 14 V · 27 A = 378 W.

De modo que entre 750 y 1250 rpm, la corriente del alternador aumenta de modo prácticamente lineal, y con ella también su potencia (Fig. 3.4-2).

Fig. 3.4-2 Curva de potencia del alternador

Traslademos ahora esta curva al campo de características del rotor Savonius (Fig. 3.3-1), respetando su inclinación:

Posicionaremos la curva del alternador de tal modo, que corte las curvas del rotor Savonius lo más cerca posible de sus respectivos máximos: En la posibilidad “1” de la Fig. 3.4-3, la curva del alternador corta la curva del rotor correspondiente a un viento de 8 m/s en su punto máximo, pero para las demás velocidades del viento se aleja considerablemente de los respectivos máximos.La posibilidad “2” es mejor, puesto que pasa cerca de los máximos de todas las curvas del rotor correspondientes a los vientos más energéticamente más interesantes (entre 8 y 14 m/s).

Para determinar el factor de multiplicación correspondiente haremos lo siguiente: la recta “2” corta el eje horizontal aproximadamente en el punto n = 170 rpm, que equivalen a las 750 rpm del alternador. Por lo tanto, el factor de multiplicación será: k = 750 : 170 = 4,4

En la Fig. 3.3-1 vemos que bajo un viento de 14 m/s el rotor Savonius desarrolla una potencia máxima de aprox. 210 W, lo que equivale a una corriente aproximada del alternador de 210 W : 14 V = 15 amperios.

Para calcular el factor de multiplicación de cualquier alternador, necesitaremos conocer como mínimo dos puntos de trabajo de su característica de corriente:

• n₀ = velocidad de giro bajo la cual empieza a suministrar corriente y, por ejemplo

• n₁₅ = velocidad de giro bajo la cual suministra aprox. 15 amperios.

Con estos dos puntos de trabajo podremos dibujar la característica de corriente del alternador (aproximándola por una recta) y –multiplicándola por la tensión de carga (14 voltios)- la característica de potencia del alternador, tal como hemos hecho en la Fig. 3.4-2.

Si sólo conocemos el valor n0, podemos hacer un primer intento con el siguiente factor de multiplicación: k = n₀ : 170

Para n₀ = 1000 rpm, el factor de multiplicación sería aproximadamente k = 1000 : 170 = 5,9

Para calcular el diámetro de la polea fijada al eje del rotor Savonius (polea grande, Fig. 3.1-1), tendremos que multiplicar el diámetro de la polea del alternador por el factor de multiplicación k estimado:

diámetro de la polea grande = k · diámetro de la polea del alternador

Observaciones: De todos modos, el diámetro ideal deberá encontrarse probando (según el viejo método "errar y volver a probar". Los motores de las taladradoras de sobremesa tienen una pieza cónica, formada por una “torre” de poleas de diferente diámetro (polea múltiple, Fig. 3.4-3). Esto permite adaptar rápidamente la velocidad de giro óptima (prever un sistema para poder subir, bajar y tensar el alternador cada vez que se prueba otro diámetro).

Como vemos en la tabla, es conveniente elegir un alternador con una polea de menor diámetro, de lo contrario la polea del rotor Savonius deberá tener un diámetro bastante grande.

Fig. 3.4-4 Alternador con triple polea

Los puntos de intersección de la curva “2” (Fig. 3.4-3) con las curvas del rotor

Savonius nos permiten calcular la característica corriente versus velocidad del viento del aerogenerador Savonius:

Corriente suministrada por un aerogenerador Savonius construido con un barril de 200 litros (ver Fig. 3.1-1) y el alternador con la característica representada en la Fig. 3.4-1 en función de la velocidad del viento

Si utilizamos dos rotores Savonius superpuestos (Fig. 3.2-1), la potencia y el par de giro del conjunto se duplicarán, es decir:

Corriente suministrada por un aerogenerador Savonius construido con dos barriles de 200 litros (ver Fig. 3.2-1) y el alternador con la característica representada en la Fig. 3.4-1 en función de la velocidad del viento

Fig. 3.4-5 Curvas características de un rotor Savonius construido con dos barriles de 200 litros superpuestos (ver Fig. 3.2-1) (Nota: la potencia y el par de giro han doblado sus valores)

3.5 Sistema eléctrico

Sobre el sistema eléctrico no diremos mucho. Consultad con un buen mecánico o electricista de coches. Es importante saber si el regulador que el alternador lleva incorporado (un dispositivo electrónico que impide que la tensión suba demasiado, limita la corriente de carga y desconecta la batería cuando está llena) puede servir para cargar la batería del aerogenerador Savonius.

Conviene utilizar el alternador de un coche pequeño (¿de motocicleta?), ya que con un solo rotor Savonius raramente obtendremos más de 10 amperios (20 amperios con un rotor de 2 barriles).

Nota importante

¡Tened también en cuenta que si el aerogenerador Savonius está muy lejos de la casa, para transportar la corriente a 12 voltios os harán falta unos cables con una sección tremenda, lo cual al precio que está el cobre no es nada reconfortante!

3.6 Conclusión

Debo confesar que personalmente nunca he construido un generador Savonius. Lo que he presentado aquí es puramente teórico.

Sin embargo, estoy convencido de que al menos con respecto al factor de multiplicación no he errado la diana. En el peor de los casos, es decir, si vuestro Savonius construido con un barril no suministrara suficiente corriente, siempre podéis añadirle otro (Fig. 3.2-1). De este modo llegaréis más rápidamente a la tercera línea del viejo proverbio chino: “De lo que oigo, me olvido de lo que veo (leo), me acuerdo lo que hago, lo entiendo”

¡Os deseo mucha salud, mucho humor y suficiente viento!

Anexo: Generadores de bajas revoluciones

Hoy existen en el mercado diversos generadores, que son capaces de suministrar una potencia decente a unas velocidades de giro muy por debajo de las requeridas por un alternador de automóvil.

Por ejemplo, en Internet hemos encontrado uno [www.ginlong.com] con las siguientes interesantes características tensión y potencia versus velocidad de giro:

Introduzcamos la curva de potencia de este generador en la Fig. 3.4-3:

En este caso no tenemos que multiplicar, sino „desmultiplicar“ la velocidad de giro del generador (k < 1).

En efecto, para que la curva de potencia del generador (●) corte las curvas de potencia del rotor Savonius más cerca de sus respectivos máximos, la hemos desplazado hacia la izquierda (■), lo cual equivale a un factor de multiplicación k = 0,8. Esto significa que la polea del generador será un 20% más grande que la del rotor Savonius.

Si conseguimos construir un rotor Savonius muy ligero (por ejemplo con chapa delgada de aluminio) y el generador es lo suficientemente robusto, en principio éste se podría montar directamente sobre el eje del generador (mejor dicho, el generador se podría utilizar como uno de los dos cojinetes del rotor Savonius).

¡Suerte!

¿Cómo es el molino de viento más grande del mundo?

En estas fotografías se pueden apreciar las dimensiones de las palas más grandes del mundo; que serán utilizadas en los nuevos aerogeneradores B75 de la empresa Siemens, para producir 6 megawatios de energía eléctrica en cada molino.

Cada una de estas enormes palas mide 75 metros dee longitud, un tamaño muy similar al de un avión Airbus A380.

En otoño de este año se instalará un prototipo con capacidad para producir 6 megawatios en Osterild (Dinamarca).

Cada vez que una pala gira cubre una superficie de 18.600 metros cuadrados, las dimensiones de dos campos de futbol y medio.

Las puntas de las aspas se mueven a una velocidad de hasta 80 metros por segundo, 290 kilómetros hora.

Construir rotores tan grandes requiere el desarrollo de materiales y formas de construcción especiales que permitan estructuras muy fuertes pero de peso ligero.

Estas palas se realizan en una única pieza realizada con resina epoxi reforzada. Para ello se vierte en un molde de fibra de vidrio y madera. Las hojas sin ningún tipo de costura son mucho más resistentes.

El rotor con un diámetro de 154 metros tiene que soportar la energía generada por 200 toneladas de aire por segundo cuando la velocidad del viento es de 10 metros por segundo.

Este nuevo modelo pesa un 20% menos que los tradicionales, reduciendo los costes de instalación.

Un aerogenerador que produce un 600% más de energía (acelerando el viento)

La empresa norteamericana SheerWind acaba de presentar un nuevo tipo de generador eólico, de nombre INVELOX, capaz de producir un 600% más de energía que las turbinas actuales.

El novedoso diseño utiliza embudos para capturar el viento y dirigirlo hasta una turbina situada en el suelo.

El viento entra por un embudo y según se va estrechando éste aumenta su velocidad hasta el punto en que es turbinado.

Las pruebas han demostrado que un viento de velocidad de 16 kilómetros por hora llega a la turbina con una velocidad de 64 kilómetros por hora. Después de pasar por la turbina el viento regresa al exterior con una velocidad de 24 kilómetros por hora.

El sistema es capaz de producir energía con velocidades del viento de tan solo 1,6 kilómetros por hora.

La mejora en el rendimiento respecto a los aerogeneradores tradicionales en las diferentes pruebas ha oscilado entre el 81% y el 600%.

El diseño puede ser adaptado a cualquier tamaño, permitiendo la creación de parques eólicos o su utilización individual para usos de menor escala.

El nuevo modelo también tiene ventajas ambientales como su menor impacto sobre las aves y su mas bajo nivel de ruido.

En referencia a los costes el KW instalado cuesta menos de 577 euros y los costes de funcionamiento son de 0,7 céntimos de euro por KWh.

Costes competitivos con otras energías como la hidroeléctrica o el gas natural.

En este vídeo se pueden ver los fundamentos de su funcionamiento.

Habrá que esperar a que el sistema sea testado por científicos independientes que verifiquen los increíbles números de este aerogenerador que podría hacer rentable esta energía sin ayudas de ningún tipo, y también extenderla a aquellas zonas donde hoy no es rentable la instalación de aerogeneradores por la baja intensidad del viento.

Molinos de viento que producen energía (cuando no hay viento)

Una de las críticas a la energía eólica y a la solar es su carácter discontinuo e impredecible. Investigadores delInstituto Tecnológico de Massachusetts (EEUU) han encontrado una original manera de mitigar este problema.

Han ideado un método de almacenamiento de la energía generada en los parques eólicos marinos para que puede ser utilizada posteriormente.

Alex Slocum (responsable de la investigación) explicando los fundamentos de la misma a Barack Obama (presidente de los EEUU)

Para hacerlo posible se colocan enormes esferas de cemento en el fondo marino bajo los aerogeneradores. Cada una tiene un peso de varios miles de toneladas y unos 30 metros de diámetro.

Estas estructuras puede servir también de punto de anclaje de los molinos, aparte de su función de baterías y generadores eléctricos.

Cuando los aerogeneradores producen más energía de la que se necesita en la red eléctrica, la energía es utilizada en una bomba que se encarga de extraer el agua de mar de las esferas. Cuando se necesita energía se deja fluir libremente dentro de la esfera el agua del exterior y se turbina produciendo energía eléctrica que puede ser volcada a la red, incluso sin viento.

Una esfera de 25 metros de diámetro situada a 400 metros de profundidad es capaz de almacenar hasta 6megavatios-hora de energía.

Los investigadores estiman que la profundidad mínima para que sean rentables es de 200 metros y la óptima de unos 750 metros.

Los científicos del MIT han calculado que 1.000 esferas podrían producir tanta energía como una central nuclearo de carbón, durante varias horas. Esto proporcionaría a la energía eólica el flujo constante necesario para abastecer ininterrumpidamente la red eléctrica, con viento o sin él.

A diferencia de las plantas nucleares o de carbón, que necesitan horas para suministrar el incremento de energía necesario por mayores exigencias de demanda, las esferas pueden ponerse en funcionamiento en pocos minutos.

Al estar conectadas a la red las esferas también pueden absorber el exceso de energía de los parques fotovoltaicos situados en la línea de costa.

Para que estas esferas sean estables es necesario que tengan unos 3 metros de espesor.

La combinación de esferas y aerogeneradores flotantes podría situarse en alta mar, donde los vientos suelen ser más fuertes que en las proximidades de la costa.

Ya se ha construido un primer prototipo de 76 centímetros de diámetro que ha funcionado correctamente en los ciclos de carga y descarga, demostrando la viabilidad de la idea. Las próximas pruebas se realizarán con una esfera de 3 metros, y posteriormente con otra de 10; si encuentran dinero para financiar el proyecto.

La industria del cemento es una fuente de primer orden de emisiones de dióxido de carbono a no a la atmósfera y los investigadores creen que se podrían construir de cenizas obtenidas de las centrales de carbón existentes y que las producen como desecho.

Los científicos del MIT estiman que la combinación de esferas y aerogeneradores podría abastecer el 20% de las necesidades energéticas de la humanidad.

Aerogenerador de agua y viento (y además silencioso)

Se hacen constantes críticas a la energía eólica por su impacto negativo sobre las aves, el elevado ruido que generan o el efecto sobre el paisaje.

Ingenieros de todo el mundo han desarrollado modelos que tienen como finalidad resolver esos problemas.

Éste ha sido diseñado por la Universidad Tecnológica de Delft (Países Bajos). Carece de piezas móviles que son las causantes de los daños a las aves y el ruido, y no causa un gran impacto visual por su tamaño y forma.

Sin embargo lo realmente novedoso es que no aprovecha la energía cinética del viento directamente, sino su empuje sobre partículas de agua cargadas eléctricamente cuando pasa por la estructura.

El prototipo, denominado EWICON (Electrostatic WInd Energy Convertor), está compuesto por un marco de acero sobre el que hay dispuestos horizontalmente varios tubos aislantes. Cada uno de los tubos contiene varios electrodos, que liberan partículas de agua cargada positivamente, y toberas.

Las partículas, por su movimiento, crean un campo eléctrico que puede ser aprovechado y transformado en energía eléctrica convencional.

La producción de energía depende de la velocidad del viento, de la cantidad de gotas de agua y de la carga de cada una de ellas.

Puedes ver este vídeo creado por la Universidad de Delft para dar a conocer esta novedosa tecnología.

¿Crees que llegaremos algún día a ver a este u otros prototipos susituir a los enormes aerogeneradores actuales?