En este instructivo presentaremos los pasos a seguir para la construcción de un aerogenerador de eje vertical, portátil y capaz de captar la energía del viento para recargar pequeños dispositivos electrónicos a través de un puerto USB y encender unas lámparas LED.
Su potencia es limitada, en torno a los 3 o 4W de uso, pero es un excelente punto de partida para experimentar con este tipo de tecnologías.
Si bien los generadores eólicos de eje horizontal, como el que enseñamos a hacer en este otro instructivo, son muchos más populares que los de eje vertical dado a su alta eficiencia de generación eléctrica, estos llevan consigo algunos problemas.
Suelen requerir mayores velocidades de viento para funcionar por lo que se deben instalar en grandes torres y en zonas llanas para evitar que los árboles “bloqueen” parte del viento, haciendo que el flujo sea algo errático y turbulento con direcciones variables y con velocidades no tan altas.
En cambio, los generadores Savonius o VAWT (o Vertical Axis Wind Turbine) si bien poseen menor eficiencia, pueden operar mejor a velocidades más bajas de viento. En definitiva, una turbina eólica de eje vertical es indiferente a la dirección del viento y a los cambios bruscos de dirección.
Materiales y herramientas para el aerogenerador de eje vertical
Para construir este aerogenerador de eje vertical necesitaremos materiales y herramienta de calidad. Puede ser creativo y utilizar reemplazos más baratos, pero tenga en cuenta que algunas formas de ahorro pueden terminar por ser costosas a la larga. Esto es lo que necesitará:
Materiales
- Tubo de PVC de 30 cm de longitud y diámetro exterior de 11 cm.
- 1950 cm2 de plexiglás de 4,5 mm de espesor (lámina de 45 x 45 cm)
- Ocho tablas rectangulares de 40 cm de largo, 10 cm de ancho y 5 mm de espesor (harán de deflectores de viento)
- Una base circular de madera de 32 cm de diámetro exterior y 20 mm de espesor
- Varilla roscada M4 de 42 cm de largo (opción A)
- Dos tornillos M4 de 6 cm de largo (opción B)
- Ocho tuercas M4
- Cuatro tornillos M3 de 35mm de largo (para alargar los incluidos en el motor Stepper)
- Cuatro tornillos para madera de 20 mm de largo, no más de 4 mm de diámetro exterior
- Cuatro rodamientos 608RS
- Un trozo de manguera flexible, de 4 mm de diámetro interior y unos 6 cm de largo
- Un motor paso a paso Nema 14 o 17 (puede obtenerlo de una impresora vieja)
- Dos módulos rectificadores de puente completo
- Un conector hembra USB
- Un condensador electrolítico
- Un regulador lineal LV7805
- Disipador de calor de encapsulación TO-220 (opcional)
- Un par de cables para conexiones eléctricas (aproximadamente 30 cm)
- Masilla de silicona
Herramientas
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1° Paso: Obtener las mitades del tubo de PVC
Es necesario cortar un tubo de PVC de 30 cm de longitud para que los cortes queden rectos en relación a la superficie del tubo. Si tiene una cinta flexible, colóquela de manera que se ajuste perfectamente a la superficie de la tubería y con un marcador dibuje una línea que cubra todo el perímetro de la tubería de PVC usando el contorno de la cinta flexible. También se puede utilizar una hoja de papel para esta tarea.
Nota: Si la tubería es nueva y tiene un extremo cortado de fábrica, aprovéchelo.
Tomando como referencia la línea anterior, mida 31 o 32 cm longitudinalmente y haga una nueva marca (línea) en esa posición. Usando una amoladora angular y un disco de corte apropiado para PVC, haga los cortes en las líneas dibujadas. Los cortes deben ser lo más rectos posible. No te preocupes si tienen pequeñas imperfecciones. El centímetro extra nos permitirá lijar posibles imperfecciones hasta llegar a los 30 cm de largo.
Usando una regla, ajústela al contorno de la tubería y dibuje una línea horizontal a lo largo de la sección de tubería que acaba de cortar. A partir de esta línea, mida 172,7 mm a lo largo del contorno del tubo y haga una nueva marca en cada extremo del mismo. Dibuja una línea que atraviese estas nuevas marcas. Corte el tubo en estas marcas. Al final de este paso deberías tener dos mitades del tubo de PVC. Finalmente lijar posibles imperfecciones en los cortes.
2° Paso: Corta y pegar las piezas del rotor Savonius
Basado en dibujos vectoriales o archivos para impresión 3D, corte piezas con las dimensiones que le presentaremos a continuación. En este caso, las piezas se diseñaron específicamente para ser cortadas en una máquina CNC bastante pequeña de 300 mm x 200 mm en el área de trabajo. Diseñar varias piezas por piezas y luego ensamblarlas y pegarlas con pegamento de PVC.
Nota: Puede acceder a una carpeta en drive para descargar todos los modelos 3D de las piezas del aerogenerador Savonius haciendo clic en el cubo: 🧊
En el caso particular de los tramos de tubería cortados, estos deberán estar bien sujetos a sus bases de apoyo y en la posición correcta. Ayúdese de las hendiduras creadas a tal efecto. Un aspecto importante, estas bases deben quedar paralelas entre sí una vez pegadas. Use la varilla roscada y las tuercas para asegurar firmemente todo el conjunto.
Algo importante a aclarar, el diseño de este Rotor Savonius está basado principalmente en dos artículos científicos que resumen la actividad experimental y resultados teóricos de varios investigadores en este tipo de VAWT. El espaciamiento, la relación ancho-alto del Rotor, la decisión de que las bases de los tramos de las tuberías de PVC fueran cerradas, el ángulo de inclinación de los deflectores entre otros NO son cuestiones cosméticas arbitrarias o aleatorias, existe cierta base científica para ello. Aquí le dejamos los artículos por si quieres profundizar en estos aspectos (están en inglés):
Artículo 1: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S187661021735453X
Artículo 2: https://www.akademiabaru.com/doc/ARFMTSV55_N1_P126_135.pdf
3° Paso: Acondicionar la base circular y los deflectores
Se debe realizar un orificio circular de 19 cm de diámetro a la base circular de madera declarada en la lista de materiales. Hacer una marca con un compás o similar y con la sierra de vaivén hacer el corte. Dejar un margen para terminar con una lijadora redonda o similar.
Usando las piezas de soporte que cortó en el CNC, haga las marcas donde los deflectores descansarán verticalmente. Use la sierra de mesa para hacer ranuras de 5 mm de espesor y 6 mm de profundidad. Esta pieza circular será la base de todo el conjunto de este generador así que presta especial atención a su construcción.
Si lo prefiere, puede redondear algunos de los vértices de los rectángulos de madera. Realice las ranuras de acoplamiento a las piezas del deflector en el extremo únicamente cuando tenga el conjunto semimontado, esto evitará posibles errores de acoplamiento.
Para facilitar la comprensión del proceso de montaje de estas piezas, vea el siguiente vídeo:
4° Paso: Consideraciones sobre el cableado eléctrico para el aerogenerador de eje vertical
Como puedes ver en el esquema de conexiones, la interconexión de los elementos que compondrán el grupo electrógeno es bastante sencilla. Si tiene la tentación de usar solo un puente rectificador completo en lugar de dos, no lo recomendamos. Puede haber desajustes entre los voltajes inducidos en estos cables y esto causará problemas (como baja eficiencia). Puede usar una matriz de diodos Schottky para mejorar la eficiencia, pero tener estos dos módulos rectificadores facilitará el cableado.
Si se pregunta cuál es el tipo de motor eléctrico más apropiado para ser usado como generador le recomiendo, sinceramente la mejor respuesta es “El mejor generador debe ser creado para ese único fin”, sin embargo, luego de probarse varias configuraciones, el Motor Paso a Paso que se eligió para este proyecto terminó por ser el indicado con los mejores resultados. Pero tenga en cuenta que el par que va a conseguir con este tipo de máquinas con esta escala es bastante limitado: las Revoluciones por Minuto (rpm) también son bajas y dependen directamente de la velocidad y “calidad” (grado de turbulencia) del viento que tenga en su área.
Dado que las variaciones en la velocidad del viento repercutirán directamente en el voltaje inducido, la salida debe ser regulada a un voltaje constante, en este caso se utilizó un regulador lineal del tipo 7805 que proporciona 5V en la salida. Si bien es cierto que con un regulador lineal se desperdicia parte de la energía en forma de calor, al menos no quemará sus dispositivos USB con él.
Otra solución muy adecuada sería conectar 18650 celdas después del capacitor protegido por un circuito de Sistema de gestión de batería (BMS). Teniendo en cuenta que la corriente es baja no creo que haya ningún problema. Sin embargo, una vez que estas baterías estén completamente cargadas y el circuito BMS interrumpa su carga, un Dummy Resistor tendrá que asumir el consumo si no se desea que las RPM se salgan de control. No incluyeron baterías en este diseño para evitarse preocupaciones por ellas más adelante.
5° Paso: Conexiones eléctricas
El Motor Paso a Paso utilizado fue reciclado de una vieja impresora y venía con una polea la cual se tuvo que quitar con ayuda de dos llaves. Es probable que estos motores paso a paso vengan con varios cables. Para identificar qué cables elegir, deberá medir la resistencia eléctrica entre ellos y seleccionar dos pares de cables con la mayor resistencia eléctrica (para esto utilice un multímetro). En este caso los devanados eran de 20 ohm y cada par tenía una derivación central que no se utilizó en este diseño.
Para reducir la complejidad de la fabricación de este generador, los componentes electrónicos se soldaron entre sí directamente como se muestra en el diagrama de conexión anterior. Antes de conectar el regulador lineal, se recomienda realizar ciertas pruebas de rendimiento. Pruebe, por ejemplo, que pueda encender una matriz paralela de lámparas LED al girar el motor paso a paso a bajas revoluciones.
Suelde los conductores al regulador lineal también como se muestra en el diagrama. En este caso no hubo un calentamiento excesivo que comprometiera este regulador, pero si tiene dudas, use un disipador de calor adjunto.
Soldar el conector USB a la salida del regulador. TENGA MUCHO CUIDADO EN ESTA OPERACIÓN Y RESPETE EL PINOUT ESTABLECIDO. Si tienes dudas consulta aquí.
Solo se soldarán 2 cables (Vcc + 5V y tierra) a los pines correctos. Para evitar problemas de compatibilidad con ciertos dispositivos que necesitan conexiones a los pines de datos, intercale este dispositivo y ¡Listo!
6° Paso: Fijar los componentes electrónicos a la placa de soporte y atorníllelos a la base del aerogenerador de eje vertical
Es necesario cambiar los tornillos M3 que componen el Motor Paso a Paso por unos un poco más grandes para poder fijarlo a su placa de soporte como se muestra en la imagen. El resto de componentes se pueden pegar con silicona caliente, cuidando de no entorpecer el giro del eje del motor.
Para la conexión del eje del motor y el Rotor Savonius puede resultar conveniente utilizar un pequeño trozo de manguera flexible de silicona de aproximadamente 4 mm de diámetro interno y unos 6 cm de largo.
El regulador 7805 se fijó a la base también con pegamento y se pegó el puerto USB con silicona caliente para que fuera fácilmente accesible desde el exterior.
7° Paso: Notas finales y conclusiones
Si ha seguido cada paso en la construcción de este aerogenerador, ya debería tener su propia versión del mismo. Es portátil y no solo le servirá para aprovechar la energía del viento en los alrededores de su casa, sino también a cualquier lugar con condiciones favorables de viento. Estimamos que puede durar muchos años si se maneja con precaución y aunque su potencia es limitada, siempre es una buena opción si sales al aire libre y no tienes una fuente eléctrica para cargar tu teléfono o banco de energía o incluso encender una luz en la oscuridad (como ejemplos).
Cuando se probó este generador en variedad de condiciones climáticas, en los días nublados la velocidad del viento (al menos en aquella zona de residencia) mostró ser mayor, y también por la noche. Por lo visto, esto es común en varios lugares, que recalcan que: las tecnologías de aprovechamiento de la energía del viento podrían ser un excelente complemento a las tecnologías de Paneles Solares.
Por suerte si solo quieres experimentar en casa y obtener energía del viento puedes crear tu propio aerogenerador y así predecir si quieres y “necesitas” uno más grande.
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