Construcción de un generador eólico para secundaria

  

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  • Autor Jose Gramage
  • Idioma Español
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Objetivo
El objeto principal del presente proyecto en iniciar a los alumnos en el mundo de las energías alternativas.
Al mismo tiempo y con una buena planificación se puede trabajar esta unidad con una metodología dinámica y multidisciplinar. Dentro de esta unidad se pueden integrar materias tan diversas como tecnología, físicas, matemáticas, plástica, inglés o incluso lengua castellana.
Para llevar a cabo el proyecto los alumnos debe investigar, diseñar, calcular y explicar un amplio abanico de conceptos tales como el electromagnetismo, la generación de electricidad, realizar cálculos matemáticos aplicados y muchos conceptos mas dentro de multitud de materias.
El trabajo se ha diseñado implicando a las siguientes aéreas y trabajando los diversos objetivos curriculares:
   - Física > Cargas eléctricas, electromagnetismo y generación de electricidad
   - Tecnología > Obtención de energía eléctrica, los metales, mecanismo, electricidad y electrónica.
   - Matemáticas > Resolución de ecuaciones y sistemas.
   - Legua castellana o cooficial > Elaboración y redacción de las pertinentes memorias.
   - Ciencias Sociales > El clima y las condiciones climatológicas en España.
   - Además de la educación en valores que implican el trabajo en equipo como la compañerismo, creatividad, tolerancia, afectividad, habilidades sociales, etc.
 
Justificación
1En un mundo global como el actual donde la generación de energía eléctrica se vuelve indispensable para llevar a cabo una vida dentro de unos límites aceptables, el entender cómo se genera la energía eléctrica y los métodos actuales de generación es vital para formar personas responsable y con valores.
Se ha escogido la energía eólica por una de las energías alternativas más utilizadas en la actualidad.
Por tanto se pretende construir un aerogenerador capaz de generar energía eléctrica a partir del viento.
 
Descripción general
Antes de la construcción del aerogenerador propiamente dicho se han explicado parte de los conceptos teóricos necesarios como base para la comprensión del proyecto, por ejemplo las cargas eléctricas y la ley de Coulomb entre otros. Los alumnos han investigado todo lo relacionado con las energías y sobre todo con las renovables y más concretamente con las eólicas.
Dentro del proyecto tecnológico el aerogenerador se ha construido siguiendo una metodología de trabajo dinámica y trabajando en la competencia “aprender a aprender” ya que los alumnos en muchos casos llegan a ser autodidactas.
Para la construcción del aerogenerador cada una de las partes se ha construido de forma independiente y después se han unido, podemos diferenciar dos grandes conjuntos uno seria la parte del alternador que es la parte que va a generar la corriente eléctrica y el otro gran conjunto es toda la parte mecánica donde se sitúan las hélices la torre y la góndola.
Para la construcción de GRAM I se han usado materiales fáciles de encontrar, al final de la memoria se describe una serie de mejoras pero con materiales más difíciles de encontrar, que pueden aumentar el rendimiento del aerogenerador de forma notable.
Los trabajos a llevar a cabo para la construcción del aerogenerador son sencillos y fáciles, el proyecto se ha pensado para alumnos de 3o de ESO, ya que no existen trabajos de gran dificultad.

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Construcción del alternador
Se describe a continuación la construcción de un alternador de flujo axial.
Para la construcción del alternador se necesitan 4 Cds donde se sustentaran todos los componentes. Identificamos dos partes básicas el plato de bobinas y los platos de imanes.
 
Fabricación del plato de imanes
El primer paso será dividir 3 de los 4 cd’s en 8 partes iguales mediante escuadra y cartabón formando 8 quesos iguales, esta tarea se realiza de forma rápida y sencilla. Se marcaran unos puntos a 30 mm del perímetro exterior sobre cada una de las líneas que delimitan las partes de los cd’s.
También se puede usar una plantilla tal como está y marcar los centros donde se pegaran los imames y las bobinas.

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Estos puntos serán los centros donde pegaremos los imanes y donde situaremos las bobinas.
Los imanes son elementos de compra para este proyecto se han usado imanes con unas dimensiones de O20x5 mm aunque se pueden usar imanes más grandes. Fijaremos con termo adhesivo los imanes en cada uno de los platos. El centro del imán se situara sobre la marca realizada previamente. Hay que tener en cuenta la polaridad de los imanes a la hora de pegarlos ya que se deben situar con polaridades alternas N-S-N-S-N-S-N-S, tal como indica el dibujo adjunto.
Para ahorrar costes se puede fabricar el aerogenerador del mismo modo pero montando únicamente un plato de imanes.

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Fabricación del plato de bobinas
El primer paso para la fabricación del plato de bobinas consiste en mecanizar los discos soporte (cds), para ello se debe practicar un agujero central de O 22mm en dos de los cd´s. Se debe proceder de la siguiente forma:
Se sujetara el CD fuertemente mediante un gato o sargento a un pedazo de madera, trazaremos con lápiz el centro del agujero del CD, con una broca de madera de O 22 realizaremos un agujero sobre la madera de manera que el centro del CD quedara repasado a O22. Para realizar esta tarea hay que sujetar el CD fuertemente y proceder con sumo cuidado.
Una vez tengamos el agujero de 22mm procederemos a pegar el rodamiento que nos servirá para hacer girar el plato de bobinas de forma perfecta.
Para pegar el rodamiento usaremos cola termo adhesiva y pegaremos el rodamiento por todo su perímetro exterior sobre el plato mecanizado.
El rodamiento los podemos encontrar en cualquier tienda donde se vendan monopatines ya que se han usado rodamientos de monopatín. Sus dimensiones son O ext 22 O int 8 y ancho 7mm, perteneciente a un 608ZZ que podemos encontrar en cualquier suministro industrial.
Ver imágenes adjuntas.

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Construcción de las bobinas
Para la construcción de las bobinas se puede construir una pequeña bobinadora o se pueden realizar las bobinas a mano, es mucho más sencillo construir la bobinadora, ya que es fácil y ahorrara mucho trabajo.

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Para la realización de las bobinas se usara hilo de cobre esmaltado de O 0,3 mm.
Lo primero que se debe hacer es fabricar los carretes para las bobinas ya que no se han encontrado carretes con las dimensiones requeridas.
Para el núcleo de los carretes se utilizara tubo de plástico o metacrilato de O exterior 20 x 12 mm de largo (este tubo es fácil de encontrar en cualquier ferretería, ya que se usa para desagüe de aires acondicionados).
Para la parte exterior de los carretes cortaremos círculos de cartulina de O 30mm, se pegaran dos círculos de cartulina sobre cada uno de los extremos del tubo. Una vez montados los carretes se procederá a realizar el bobinado sobre los carretes.

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Para el bobinado introduciremos un tornillo largo de M-10 o M-12 y dos chapetones (arandelas mas grandes) sujetando el carrete para que el bobinado sea más fácil de realizar. Pegaremos el principio del hilo de cobre sobre el interior de tubo y empezamos con la bobina.
Iremos bobinando de izquierda a derecha de la forma más ordenada posible. Después pegaremos el extremo del hilo sobre la parte contraria a la que empezamos a bobinar. El hilo se puede pegar con cola térmica.
Ahora nos queda retirar el tornillo de forma cuidadosa evitando que la bobina se desmonte.
Para el mejor rendimiento del generador cada una de las bobinas debería tener al menos entre 150 y 160 espiras, el numero de espiras puede variar, no hace falta que sea exacto aunque si aproximado.
Tanto al final como al principio del bobinado se deberían dejar unos 100 mm de hilo para realizar las conexiones cómodamente.

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Construcción del plato de bobinas completo
El plato base de las bobinas debe tener marcadas las circunferencias donde se deben situar las bobinas o utilizar una plantilla tal y como se puede observar en la imagen adjunta.

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Plantilla para el pegado de las bobinas.

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Antes de colocar la tapa del plato de bobinas se debe proceder al conexionado de las bobinas de la siguiente forma:
 
Conexionado de las bobinas
Las bobinas se deban conectar en serie, teniendo en cuenta que cuando la primera este en “positivo” la segunda estará en “negativo” por efecto de los campos magnéticos. Es por ello que hay que conectar la parte exterior de la primera bobina con la parte exterior de la segunda, la parte interior de la segunda con la interior de la tercera y así de forma sucesivamente. El cable del núcleo de la bobina con el núcleo de la siguiente, y el exterior con el exterior, de forma y manera que al final solo deben quedar dos extremos, un cable de uno de los núcleo y uno de un exterior.

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Antes de soldar los cables hay que retirar la capa de esmalte para realizar las conexiones, para retirar el esmalte se puede lijar el cable con un papel de lija muy fino de lo contrario la conexión podría fallar.
Finalmente se colocara la tapa del plato de bobinas. Entre los dos rodamientos (entre la base y la tapa) existe un hueco que se debe rellenar colocando dos o tres arandelas de M-8 en medio de los rodamientos. El centro de los rodamientos debe quedar compacto sin huecos.
Antes de colocar la tapa con cola, realizar la comprobaciones oportunas.
Se procederá a colocar abundante cola térmica sobre cada una de las bobinas e inmediatamente después colocaremos la tapa sobre la base con las bobinas. No olvida colocar las arandelas entre los rodamientos.
Realizar esta operación muy rápida o con varias personas y varias pistolas de cola térmica, ya que si la cola se enfría la tapa del pato no quedara bien fijada.

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Al plato de bobinas se le debe pegar una madera interior que no servirá de antigiro, para evitar que el plato de bobinas gire y los rodamientos hagan su función. Yo he colocado tres y al mismo tiempo me sirven de patas aunque no es necesario con una única madera es más que suficiente ya que la única función que tiene es que el plato de bobinas no gire.
 
Montaje del alternador
En la siguiente secuencia de imágenes se puede ver como se ha montado todo el conjunto del alternador. Previamente se han tenido que mecanizar los soportes que sustentaran el eje donde se monta todo el sistema (hélices, y generador). La descripción de la fabricación de los soportes se explica en el siguiente punto. El eje que sustentara todo el sistema es una varilla roscada de M-8 y 300 mm de largo.

Colocar tuerca M-8 Autoblocante y chapetón M-8, primer plato de imanes, chapetón y tuerca normal.

13a

Ahora colocaremos una arandela, el plato de bobinas, arandela y tuerca. Las arandelas solo deben presionar la pista interior del rodamiento.

13b

Chapetón, plato de imanes, chapetón y tuerca autoblocante.
Ya tenemos el alternador lista para probar.

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La colocación de tuercas autoblocantes al principio y al final implica que el alternador no se moverá sobre el eje ya que este tipo de tuercas no se aflojan y así garantizamos que el alternador sea un bloque perfecto.
La varilla debe sobresalir unos 50 mm por la parte trasera del generador el resto debe quedar a la parte donde se montaran las aspas.
 
Construcción de las aspas y la góndola
El conjunto está formado por un grupo de tres aspas ya que pretende imitar a los grandes aerogeneradores y por las características del viento de la zona es la más adecuada.
 
Las aspas.
De nuevo el diseño de las aspas está basado en sistemas industriales pero sin perfiles variables ni volúmenes, se ha respetado el ángulo de ataque de 18o ya que según toda la bibliografía consultada aprovecha mejor la fuerza del viento. Se ha elegido este tipo de aspa por ser de fácil construcción respecto a otros consultados en diferentes fuentes.
Para la construcción de las aspas he usado tablero de madera contrachapado de 6 mm.
Adjunto plano de las aspas:

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El núcleo de las aspas.
Para el núcleo de las aspas usaremos una madera de 100x20 mm la misma que usaremos para la góndola. Para mecanizar esta pieza usaremos una sierra de marquetería. Primero se ha de cortar la geometría exterior y posteriormente las ranuras. Para las ranuras se deben realizar dos cortes 30 mm de profundidad y después desde bajo empalmar los dos cortes (formando una U), quedando de este modo la ranura de 6 mm. Para refinar la ranura usaremos una lima plana pequeña.

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Los agujeros no deben hacerse hasta no tener las aspas montadas en el interior de las ranuras, ya que debemos taladrar el núcleo y las aspas al mismo tiempo, esto nos facilitara del montaje de todo el conjunto, si no procedemos de este modo los agujeros de las aspas no encajaran bien ya que los agujeros de las aspas son inclinados muy difíciles de hacer.
Fijaremos las aspas al núcleo mediante cola termoadhesiva e introduciremos unos tornillos hexagonales de M-6 con arandelas fijando todo el conjunto.

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Soportes del eje.
El eje se debe sustentar sobre un par de soportes con rodamientos para facilitar que el conjunto alternador y aspas pueda girar libremente.
Para este primer prototipo se ha usado madera de 40x10 aunque también se puede usar la misma madera de 100x20 de la góndola haciendo los rebajes correspondientes.
A la madera se le debe practicar un rebaje en la zona donde se fijaran los rodamientos. Este rebaje será de 3 mm, quedando la zona donde se fijan los rodamientos de 7 mm, el mismo espesor que tienen los rodamientos.
Para fijar los rodamientos a la madera se ha realizado un agujero a 80 mm de la base de O 22mm. La pista exterior de los rodamientos se ha pegado sobre la madera usando cola termo adhesiva. Para evitar que los rodamientos se salgan se han practicado dos agujeros de O 4 mm a dos milímetros del agujero de 22 donde se ha puesto un tornillo de M-4x15 con arandelas.
Finalmente para fijar los soportes a la base de la góndola se han atornillado 4 escuadras pequeñas de latón sobre cada uno de los soportes tal y como podemos observar en las fotografías adjuntas.

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Para realizar el rebaje a la madera se ha usado una lima gruesa para madera y después una fina para que no queden astillas.
Para la fijación de los soportes a la base de la góndola se puede usar cualquier tipo de escuadra que se crea oportuna.

La góndola
La góndola se sustenta sobre una madera de 100x20 mm de 800 mm de largo.
Los soportes se colocaran de forma y manera que uno de ellos quede aproximadamente a unos 15 mm del extremo de la madera que actuara de góndola.
Hay que tener en cuenta tanto en el montaje de los soportes como del alternador que todos los rodamientos deben tener arandelas previas a las tuercas. Estas arandelas permiten que únicamente tenga contacto la pista interior del rodamiento y así este pueda girar libremente.
De lo contrario la tuerca rozara sobre el protector del rodamiento y no realizara su función adecuadamente.
El montaje del conjunto se puede observar en las imágenes adjuntas.
Posteriormente se le practicara un agujero de O 16 mm donde se colocara el tornillo que permitirá el giro de la góndola. El agujero hay que hacerlo en el lugar exacto donde la góndola este perfectamente equilibrada (mas o menos 200 mm) del extremo. Comprobar una vez montado el alternador.

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Mástil
Para el mástil he usado un tubo de 1 ¼” (tubo de instalación de agua) y dentro he colocado una rueda guía de puerta corrediza de 35 mm de exterior con tornillo de M-16 (se vende en cualquier suministro industrial.
Soldando unas tuercas y colocando tornillos prisioneros sobre el mástil, a rueda queda fijada dentro del tubo.
Una vez montado el conjunto podemos fijar la góndola sobre el mástil y el sistema estará preparado para oscilar en función de la dirección del viento.

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La veleta
De uno de los sobrantes de las aspas he aprovechado la madera para hacer la veleta.
La veleta sirve para orientar la góndola en la dirección del viento, es importante determinar un tamaño adecuado para que el viento estabilice la góndola, de lo contrario el sistema vibrara.

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Acople de todo el sistema
Para el montaje de sistema existen tres partes de fácil ensamblaje:
• Las aspas
• La góndola con la veleta y los soportes
• El mástil
Lo primero que se debe ensamblar es el modulo de las aspas en el eje del alternador.
Previamente debemos roscar una tuerca autoblocante en el eje, después una arandela, esto será la parte donde el modulo de las aspas se apoyara. Hay que tener en cuenta que no hay que roscar la tuerca hasta el tope del eje, ya que sino las aspas tropezaran con la góndola.
Se debe medir para que las aspas pasen a uno 5 mm de la góndola, una vez introducido el modulo de las aspas poner otra arandela y volver a roscar una tuerca autoblocante. Es importante montar las aspas con tuercas autoblocantes porque si no podría aflojarse.
¡OJO! no intentar para las aspas con las mano una vez el aerogenerador se ponga en marcha no si se intentarse detener con las manos el golpe sufrido puede causar una grave lesión. Para parar la rotación de las aspas hay que desorientar las aspas respecto de la dirección del viento.

Resultados obtenidos
Se cuantifican los resultados obtenidos en voltaje y niveles de potencia obtenidos. El voltaje obtenido depende directamente de la velocidad de rotación llegando a unos 12 V a unas 850 rpm. Los resultados obtenidos se pueden visualizar en la siguiente grafica.

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En cuanto a la potencia teniendo en cuenta la ley de Ohm y el valor constante de la resistencia de las bobinas podemos obtener un valor máximo de:

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 Memoria de materiales
  - 4 CD’s viejos o nuevos.
  - 16 imanes de neodimio de 20x5 mm.
  - 2 Rodamientos de monopatín (22x8x7).
  - Tubo de plástico o metacrilato de O exterior 20 mm.
  - Hilo de cobre esmaltado de O 0,3 mm.
  - Varilla roscada de M-8.
  - Varias tuercas, arandelas y tuercas autoblocantes de M-8.
  - 12 Escuadras de latón pequeñas y tornillería.
  - 8 tornillos de M-4x20, con arandelas y tuercas.
  - Maderas:
  - Madera de 100x20 (núcleo de las aspas y base de la góndola).
  - Madera de 40x10 para los soportes de los ejes.
  - Tablero contrachapado de 6 mm para las aspas.
 
Herramientas
  - Cuttex.
  - Pistola de cola termo adhesiva.
  - Sierra de calar.
  - Serrucho.
  - Juego de llaves fijas.
  - Gatos pequeños.
  - Broca para madera O 22 mm y broca de metal de O 6 mm.
  - Útiles de dibujo.
 
Mejoras en el modelo
- Aumentar el tano de los rodamientos. Si se colocase un rodamiento de 6201 (12x32x10) daríamos mayor robustez al sistema.
- Los platos de sujeción de los imanes deberían ser de acero, ya que esto podría llegar a aumentar el campo magnético hasta en un 20 %
- Imanes y bobinas más grandes.
- Contrachapado de las aspas de 8 mm
 
Bibliografía
http://www.uv.es/~navasqui/
http://www.otherpower.com/otherpower_wind.html
http://www.uclm.es/PROFESORADO/ajbarbero/FAA/EEOLICA_Febrero2012_G9.pdf
http://www.fieldlines.com/index.php/topic,141270.0.html
http://bricoenergia.7forum.biz/t103p30-que-relacion-de-tamano-debe-haber-entre-bobinas-e-imanes
http://www.comohacer.eu/especial-como-hacer-un-aerogenerador-molino-de-viento-o-turbina-eolica/
 
Modelo GRAM I
Jose Gramage Cirujeda
Dpto. Tecnología
Colegio Pureza de María Ontinyent
Año - 2012

Artículo con licencia Creative Commons Creative Commons
Documentación completa: tecnoeneso.wordpress.com
Manual PDF: tecnoeneso.wordpress.com

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