Optimized Blade Design for Homemade Windmills/es

La intención de este proyecto, creado en colaboración con Mech425, es identificar el mejor ángulo para palas planas y uniformes en relación con la corriente de aire. El ángulo de las palas debe optimizarse para convertir la mayor cantidad de energía en movimiento de rotación. Las palas planas se utilizan junto con turbinas de eje vertical y el diseño generalmente se selecciona cuando se prefiere la simplicidad o cuando el acceso a herramientas y suministros es limitado

• El proyecto ha sido seleccionado para brindar apoyo a personas que buscan generar electricidad aprovechando el viento.
• El público objetivo son personas que no pueden permitirse modelos disponibles comercialmente y han optado por construir sus propios modelos.

Los molinos de viento tienen múltiples funciones y pueden operar en cualquier lugar con acceso al viento. Utilizan sus aspas para convertir la energía eólica en movimiento rotatorio. Este movimiento rotatorio puede utilizarse para trabajo directo o transformarse en electricidad. Originalmente, los molinos de viento se utilizaban para moler. Hoy en día, se siguen utilizando para este propósito, pero han ampliado sus usos al bombeo de agua y la generación de electricidad. En países con menor desarrollo económico, la electricidad generada por molinos de viento caseros se utiliza a menudo para cargar baterías y teléfonos móviles o para hacer funcionar dispositivos de iluminación, radios y bombas de riego.

Las turbinas eólicas modernas disponibles comercialmente se han diseñado para abordar velocidades de viento específicas y son capaces de generar megavatios de electricidad cada una. Sin embargo, las soluciones caseras suelen ser de baja tecnología y han sido sometidas a poco análisis de optimización. Este informe busca identificar el mejor ángulo para inclinar las palas en relación con el viento entrante y así generar la mayor cantidad de electricidad posible.

William Kamkwamba es un ejemplo fantástico de alguien que podría beneficiarse del análisis presentado en este informe. Pudo construir el molino de viento gracias a su ingenio y a su mentalidad de ensayo y error. Transformó con éxito los materiales de desecho que tenía a su alrededor en un molino funcional que proporciona luz y riego. Su trabajo ha proporcionado una vida mejor a su familia y amigos, a la vez que ha inspirado a personas de todo el mundo. Sin embargo, debido a su limitada educación formal, no incorporó cálculos de ingeniería para optimizar el diseño. A medida que más personas intentan aprovechar el potencial del viento, resulta de gran valor optimizar estos dispositivos para maximizar su beneficio social.

Para obtener más información sobre William, su inspiradora historia se puede ver a continuación:

cuchillas planas

Las hojas planas son menos comunes que otros diseños, pero ofrecen importantes ventajas, especialmente en zonas de bajos ingresos o remotas. A continuación, se presenta una lista de las ventajas que ofrece el uso de hojas planas:

• Fácil de construir
• Se requiere menos diseño y conocimiento local
• Se requiere menos equipo y tiempo durante la construcción
• Es más fácil garantizar que las hojas tengan una forma y un tamaño uniformes

Cálculos de ingeniería

La energía cinética almacenada en el viento se puede encontrar según el Principio de Bernoulli:

EC = 1 / 2( m * v ² )

Para hallar la energía del viento, debemos hallar la masa del cilindro. Esta se basa en el volumen del cilindro multiplicado por la densidad del fluido:

m = ρ * V

El volumen total del fluido que representa la columna cilíndrica es:

V = A * L

Podemos calcular el área de la base del cilindro mediante:

A = 1 / 4(π * D ² )

La longitud del cilindro representa la cantidad de fluido que ha pasado por el área barrida del molino. Esta se calcula multiplicando la velocidad del viento por el tiempo:

L = v * t

Esto se puede simplificar de la siguiente manera:

KE = 1/8(ρ * π * D ² ) * v ³ * t

Finalmente, la potencia del viento es simplemente la energía por unidad de tiempo.

P = π / 8(ρ * D ² * v ³ )

Como se ha demostrado, la potencia del viento está estrechamente relacionada con la velocidad del aire y, en menor medida, con el diámetro de las aspas. La cantidad de energía en el fluido está relacionada con su velocidad al cubo, lo que indica la importancia de las altas velocidades del viento. Por lo tanto, para aumentar la producción de energía, lo más importante es encontrar una ubicación con vientos de alta velocidad. Esto se puede lograr construyendo una torre para colocar el aerogenerador en una posición más elevada. Esto ayudará a reducir el impacto de cualquier obstrucción desde el suelo. El tamaño de las aspas de la turbina también es importante y debe considerarse como un método para obtener mayor potencia.

Máxima eficiencia posible

El límite de Betz fue desarrollado por Albert Betz y su objetivo es representar la máxima energía posible que un dispositivo puede obtener de una corriente de fluido a una velocidad dada. En el caso de un molino de viento, la máxima eficiencia teórica de un rotor delgado se puede determinar con base en los siguientes supuestos:

• El rotor se considera ideal, ya que tiene un número infinito de palas y ninguna resistencia.
• El flujo que entra y sale del rotor es axial y de acuerdo con ecuaciones de conservación.
• El fluido se modela basándose en un flujo incompresible.

El límite de Betz ha predicho que el valor máximo teórico del coeficiente de potencia es 0,593. Esto significa que el límite teórico de potencia extraída del fluido es del 59,3 %. En comparación, las turbinas eólicas comerciales actualmente pueden alcanzar una conversión del 40 % al 50 % debido a ligeras ineficiencias relacionadas con el diseño de las palas y el proceso mecánico. ^{[ 1 ]}

Ángulo óptimo de las palas

La cantidad de energía disponible en una corriente de fluido se indica a continuación y está estrechamente relacionada con la velocidad del fluido y el área de barrido de las palas. El otro componente importante es la cantidad de energía que se puede obtener del fluido que se aproxima. En el caso de palas planas, el ángulo de inclinación de las palas del aerogenerador con respecto a la corriente de fluido determinará cuánta energía se puede convertir en movimiento de rotación y luego capturar por el sistema para un trabajo significativo. El ángulo óptimo se calcula a continuación:

La presión del viento es la cantidad de fuerza ejercida por el viento por unidad de área de las palas y está dada por: P = 1/2 (1 + c ) * ρ * v ²

• Donde c es una constante y es igual a 1,0 para placas planas largas.

La fuerza del viento contra las palas de un molino de viento se basa en la presión del viento multiplicada por el área de la pala orientada hacia el flujo de aire entrante. Si la pala está inclinada respecto a la corriente de aire entrante, el área expuesta al fluido se reduce por un factor de seno θ . Por lo tanto, el cálculo de la presión del viento se multiplica por A * seno θ para obtener la fuerza del viento sobre las palas. Además, la fuerza del viento convertida en movimiento de rotación está relacionada con el ángulo de la pala respecto al flujo de fluido entrante. Esta relación se da por un factor de coseno θ .

Además, las palas experimentarán un coeficiente de arrastre relacionado con su ángulo al girar sobre su propio eje, perpendicular al flujo de fluido que las atraviesa. Este coeficiente de arrastre se representará mediante D * cos θ .

Por lo tanto, el cálculo combinado para determinar el equilibrio de fuerzas en las palas es:

F = ρ * v ² * A * sen θ * cos θ * D * cos θ

Una relación importante a tener en cuenta es la que existe entre la fuerza y ​​θ . El balance de fuerzas combinado indica una relación entre la fuerza y ​​sen θ * cos θ * cos θ .

Como resultado, la inclinación óptima de las aspas proporcionaría un ángulo al flujo de aire tal que sen θ * cos θ * cos θ sea máximo. Este valor se presenta en el gráfico a continuación para mostrar cómo cambia al ajustar θ .

El ángulo se ajusta en radianes y parece indicar un valor máximo de aproximadamente 0,62 radianes, o aproximadamente 35,5 grados. Esto se traduce en una conversión máxima del 38,5 % de la fuerza del viento en movimiento rotatorio. Por lo tanto, las aspas deben inclinarse aproximadamente 35,5 grados con respecto a la corriente de aire entrante para obtener la cantidad óptima de energía utilizando aerogeneradores de aspas planas.

Se diseñó un análisis de dinámica de fluidos computacional (CFD) para este ángulo de pala con el fin de investigar la distribución de la presión y el flujo de aire a su paso por las palas. Lamentablemente, la licencia del software de CFD, Fluent, ha expirado. A continuación se incluye el modelo mallado del diseño de la pala, realizado con el programa Gambit.

El análisis CFD completo se publicará una vez que esté disponible el acceso a Fluent o un programa de software equivalente.

Consideraciones regionales

Las regiones objetivo para esta tecnología son lugares con acceso limitado a herramientas o suministros, como el África subsahariana. Además, la zona debe tener acceso a un recurso eólico razonable y a ciertos materiales clave. Estos materiales incluyen muchos tecnológicamente avanzados, como generadores y motores. Sin embargo, estos pueden encontrarse en desguaces siempre que sean funcionales y puedan satisfacer sus necesidades básicas. Si bien muchas personas no pueden permitirse estos artículos, existen muchos coches y electrodomésticos averiados que serían suficientes.

En términos de impacto social, el acceso a la electricidad es un recurso poderoso que puede ayudar a las comunidades a salir de la pobreza. Por el contrario, se ha demostrado repetidamente que contribuye a perpetuar y ampliar la brecha económica. Es importante que la energía se gestione con respeto y que no se utilice como herramienta para empobrecer aún más a los desfavorecidos.

Materiales

La siguiente lista representa los materiales básicos necesarios para construir un molino de viento, ya sea en casa o con materiales de desecho. Como William Kamkwamba demostró lo que es posible e inspiró a personas de todo el mundo, los materiales que utilizó para construir su primer molino de viento se muestran a continuación: ^{[ 2 ]}

Si se construye el molino de viento y la intención es almacenar electricidad, también se requieren los siguientes materiales: ^{[ 3 ]}

• Baterías de ciclo profundo 12V (Si el usuario pretende almacenar energía eléctrica)
• Controlador de carga para regular cuánto se carga la batería
• Convertidor CC/CA
• Rectificador de puente (para asegurar que la electricidad fluya hacia las baterías)

Herramientas

Si no hay limitaciones en cuanto a las herramientas disponibles, sería útil contar con una sierra, un destornillador, tornillos, un martillo, clavos, arandelas, tuercas y pernos, un nivel y un marcador. Además, el trabajo eléctrico sería más fácil con alicates y medidores de voltaje, amperaje y resistencia. Sin embargo, en las zonas rurales del mundo, la gente se ve obligada a ser más creativa con los recursos disponibles. Aquí hay un par de ejemplos de cómo esto sucede: ^{[ 4 ]}

• Las hojas planas se pueden crear cortando un tubo de PVC a lo largo con una sierra o un dispositivo similar y calentándolo al fuego. Una vez caliente, se puede moldear para formar una hoja larga y plana.
• Las arandelas se pueden hacer martillando tapas de botellas hasta que queden planas y luego perforando un agujero en el medio.

En estas circunstancias, clavos, rocas, fuego y madera se convierten en las herramientas para construir el aerogenerador. Se puede usar acero o rocas como martillos, se pueden raspar radios de bicicleta a lo largo de una roca para crear un borde plano y se pueden fundir bolsas de plástico para construir un mango alrededor de un extremo. Además, se pueden crear taladros con una mazorca de maíz como mango y un clavo extrusor. El clavo se puede calentar al fuego hasta que esté al rojo vivo y luego se puede usar para atravesar ciertos materiales.

Habilidades y conocimientos

Para aprovechar el potencial de generación de energía de las turbinas eólicas, es importante comprender la cantidad de viento disponible en un lugar determinado. La escala de Beaufort proporciona una indicación de la velocidad del viento basándose en diversas pistas visuales. Si bien estas pistas ofrecen indicaciones de la velocidad del viento en el suelo, es probable que la energía del viento aumente a medida que aumenta la altitud. Esto se basa en la capa límite que se desarrolla en la superficie terrestre, junto con diversas obstrucciones en el suelo que afectan el flujo del viento. La escala de Beaufort se proporciona a continuación: ^{[ 5 ]}

Para obtener una lista más completa de factores de identificación física, siga este enlace.

Además, para transmitir la electricidad generada y utilizarla en aplicaciones como lámparas de quirófano, radios o la carga de baterías, es fundamental comprender la teoría eléctrica, como el voltaje y el amperaje necesarios para alimentar el dispositivo deseado. Puede encontrar un resumen de estos conocimientos aquí.

Especificaciones técnicas

William pudo construir su molino de viento basándose en el esquema que se muestra a continuación. ^{[ 6 ]} Posteriormente, lo montó en una gran torre que él mismo creó con madera. En general, el concepto de la máquina es bastante simple, con las principales limitaciones derivadas de la disponibilidad de materiales y el acceso limitado a herramientas. Mediante pruebas, William descubrió que, con su diseño, un molino de viento de cuatro aspas podía generar más energía que su homólogo de tres aspas. ^{[ 7 ]}

Costos estimados

William ha revelado que producir su molino de viento costó aproximadamente 15 dólares y que el generador de bicicleta fue el más difícil de conseguir. ^{[ 8 ]} Se ha compilado una estimación de los costos de los diversos componentes basándose en lo que ha podido encontrar gratis en el depósito de chatarra o de su familia.

En entornos rurales, el costo de las piezas varía considerablemente según los materiales que se puedan recuperar o que deban adquirirse localmente o en pueblos vecinos. Por lo tanto, es más apropiado ofrecer un rango de costos anticipados basado en la variabilidad en la accesibilidad de ciertos materiales. Si bien esto es meramente una estimación, ofrece una idea de cuánto se podría esperar pagar por las piezas.

Como se indicó, el rango de costos oscila aproximadamente entre $0 y $99 y ofrece un rango general de costos del proyecto según la cantidad recuperable. Según estas estimaciones, el presupuesto de $15 de William parece estar en el extremo inferior del rango, ya que pudo encontrar la mayoría de sus materiales a partir de lo que otros consideraban desperdicio.

Más allá del costo inicial, la energía eólica tiene la oportunidad de convertirse en una tecnología generadora de ingresos. Los teléfonos celulares han dado trabajo a muchas personas que los alquilan a particulares que buscan llamar a mercados vecinos para determinar el precio de diversos productos. De igual manera, la energía puede venderse a quienes buscan cargar sus celulares u otras baterías que se pueden usar para iluminación o para escuchar radios. 

Errores comunes

Existen muchas variaciones del diseño del molino de viento utilizado por William Kamkwamba y perfeccionadas a lo largo de esta sección. Sin embargo, algunas son comunes y tienen un impacto negativo en el rendimiento. Un ejemplo es el uso de madera como material para crear aspas. La madera no es una buena opción, ya que es un material más pesado y, por lo tanto, requiere más energía para iniciar la rotación y lograr un mayor giro. Se deben considerar otros materiales.

Además, es fundamental que las aspas tengan una forma uniforme, ya que esto puede provocar oscilaciones. Estas oscilaciones reducirán el rendimiento y acortarán la vida útil del aerogenerador debido a las vibraciones adicionales. Las aspas del aerogenerador también deben colocarse por encima de cualquier obstáculo para obtener un flujo de viento más potente y constante. Una buena regla general es colocar la turbina al doble de altura que cualquier obstáculo cercano.

Otros diseños

Si tiene acceso a equipo adicional, como sierras y lija, podría usar el diseño que se muestra en el video a continuación. Además, tenga en cuenta que el aerogenerador puede pivotar y utiliza una cola para dirigir las aspas hacia el viento.

Referencias