Se llama generador eléctrico a cualquier dispositivo capaz de transformar energía mecánica en energía eléctrica. En particular, los generadores eólicos o aerogeneradores utilizan la energía provista por una turbina accionada por el viento. El objetivo de este proyecto es diseñar, construir y estudiar las características y funcionamiento de estos generadores. Fundamentalmente se pretende indagar sobre la relación existente entre la velocidad de rotación de la turbina y la tensión inducida en bornes del generador.
Principio de funcionamiento
Un motor de corriente continua puede funcionar como generador y viceversa. Es decir que si se conecta un motor a una determinada tensión su eje comenzará a girar, pero si se hace rotar el eje, se producirá una diferencia de potencial en sus bornes. Esto se debe a que ambos están constituidos básicamente por los mismos elementos.
La figura 1 muestra un motor básico de corriente continua:
Como se puede apreciar, consiste en una bobina atravesada por el flujo magnético de un imán permanente. Si se cierra el interruptor A, comienza a circular una corriente a través de la bobina. En la figura 2, el vector normal es perpendicular al plano de la espira y su sentido, que depende del sentido de circulación de la corriente, está dado por la regla de la mano derecha. Cuando una bobina se sumerge en un campo magnético, aparece un momento de torsión que tiende a alinear el vector normal con
las líneas de campo. En el momento en que se alinean, el conmutador cambia el sentido de circulación de la corriente, invirtiendo también el sentido del vector.
Entonces, el momento de torsión hace girar el eje 1 80º hasta que el conmutador cambia la polaridad nuevamente. La figura 3 muestra el proceso en tres instantes de tiempo:
Como se mencionó anteriormente, si se hace girar el eje de un motor, este genera una tensión. Esto puede explicarse con la ley de la inducción de Faraday: la f.e.m. inducida en un circuito cerrado es igual al negativo de la velocidad con que cambia con el tiempo el flujo magnético 
a través del circuito. En términos matemáticos:
Lo que sucede en un generador es que al hacer rotar la bobina en el campo magnético del imán, el flujo magnético a través de esta varía generándose una tensión.
Considerando el caso de una única espira rectangular que rota con velocidad angular constante y suponiendo uniforme, el flujo está dado por:
Donde S es la superficie, 
es la velocidad angular y 
el tiempo. La tensión inducida será entonces:
La figura 4 muestra al motor de la figura 3 funcionando como generador en tres instantes de tiempo arbitrarios:
En la primera y en la tercera imagen, el flujo es nulo, pero su derivada es máxima, por ende la tensión inducida también lo es. En la segunda, el flujo es máximo pero la derivada es nula; no hay tensión inducida. Nótese que si bien la tensión entre A y B varía sinusoidalmente con el tiempo, con la tensión de salida en los terminales 1 y 2 no sucede lo mismo. Esto se debe a que el conmutador actúa como un rectificador mecánico. En la figura 5, se encuentran graficadas ambas tensiones en función del tiempo:
Durante el experimento se mostrará que en la práctica, las señales de los generadores no son tan simples principalmente porque su diseño tampoco lo es. Hasta los motores no generadores más simples suelen estar constituidos por más de una bobina.
PASOS A SEGUIR:
Se construyeron dos álabes. El primero se fabricó a partir de un DVD, haciendo ocho cortes en dirección al centro y torciendo el plástico en forma de turbina utilizando el calor de una vela para derretirlo.
Para el segundo, se adaptaron planos para aspas de mayor tamaño, que originalmente utilizaban tubos de PVC de 10 cm de diámetro. Se eligió fabricarlo con un tubo plástico delgado de 2.5 cm de diámetro, cortándolo con una sierra para luego limar las imperfecciones. Ya que el experimento incluye mediciones con tres motores, se decidió utilizar un sistema que permita acoplar y desacoplar las turbinas de los motores cuando fuese necesario. Por eso se eligió utilizar en todos los casos corchos sintéticos para esta tarea por su elasticidad y versatilidad.
El siguiente paso fue hallar una forma de sostener los generadores. Para ello se diseñó un único soporte adaptable a los distintos diámetros de los motores. Este soporte consiste básicamente en un taco de madera atornillado a una base plana circular de madera. En la cara superior del taco, se pegaron 3 capas de goma EVA donde descansa el motor, cuya función consistía en evitar el deslizamiento del generador y amortiguar las vibraciones. Para sujetar el motor, se usó una banda elástica hecha de cámara de auto, clavada a una de las caras laterales del soporte y que se sujeta mediante unos tornillos de gancho a la cara opuesta.
Después de construido, se hicieron varios cambios necesarios al soporte descrito anteriormente. En primer lugar, la banda elástica resultó demasiado ancha y uno de los motores no podía acoplarse cómodamente, de tal modo que se la recortó. Como consecuencia de esto, la banda aumentó su elasticidad, por lo que fue necesario añadir otro tornillo de gancho para sujetar más firmementeal generador. Por otro lado, fue necesario remover las capas de goma EVA porque al ser tan gruesa, resultaba imposible dejar el eje de todos los motores en posición completamente horizontal, por el mismo amortiguamiento. Se resolvió utilizar una única capa.
Si bien la medición de la tensión podía realizarse simplemente utilizando el multímetro, la tarea de medir las r.p.m. era mucho más complicada. En primer lugar se intentó pintar una de las aspas de un color contras tante y filmar la turbina en movimiento, aunque fue imposible medir las revoluciones por la baja cantidad de fotogramas por segundo capturados. Posteriormente surgió la idea de utilizar un velocímetro de bicicleta, adherido a una de las aspas. De esta manera se podría haber conseguido una medición en km/h para luego convertirla a r.p.m. Lamentablemente no fue posible encontrar uno y además de la baja precisión este método tenía la complicación de que el peso del imán que debía adherirse a la turbina podía
desbalancear notablemente a las mismas. Luego, se trató de medir la frecuencia de la tensión generada utilizando el multímetro, pero sin éxito, ya que la lectura mostraba una sola cifra significativa y oscilaba entre dos valores. Además, cabe destacar que la frecuencia de la tensión puede superar varias veces a la frecuencia del movimiento rotatorio de la turbina, ya que depende de la construcción del motor. A continuación siguiendo con la idea básica del velocímetro, se pensó en adherir un pequeño imán de heladera a una de las aspas, captar la variación del flujo magnético utilizando un cabezal de walkman y medir la frecuencia con el multímetro. Antes de desarrollar la idea, se intentó obtener alguna lectura pasando con la mano el imán cerca del cabezal pero no se obtuvieron buenos resultados.
Más tarde llegó la idea que derivaría posteriormente en la solución y fue intentar captar alguna de las señales en la computadora. Si bien la mayor parte de las entradas de datos de una computadoras son digitales, la entrada del micrófono es analógica puede cumplir perfectamente la función de receptor. Además, para captar la señal, basta con grabarla como si fuera un sonido, lo que tiene la virtud de que es posible visualizarla, estudiarla e imprimirla con un software de manipulación de audio. 
De hecho, la computadora cuenta con dos entradas utilizables para este propósito, ambas en la placa de audio: el micrófono y el llamado lineCin (entrada de línea). La principal diferencia es que la del micrófono tolera tensiones de hasta 100 mV mientras que el lineCin puede captar hasta 1 V. Si bien inicialmente se pensó en captar la tensión de salida del generador usando un divisor de tensión para proteger la computadora, está idea paso a ser secundaria ya que se concluyó que lo más conveniente era utilizar el cabezal para captar los pulsos, cosa que no se había podido lograr con el multímetro. Se soldó el cabezal a un Jack de 3.5mm, y se lo pegó al soporte para realizar una prueba rápida.
Se conectó el cabezal a la PC, se accionó el generador utilizando un secador de pelo y
se grabó el audio. La prueba fue exitosa y se pudo distinguir claramente los picos de tensión.
Antes de realizar las mediciones definitivas fue necesario realizar algunas tareas. En primer lugar el sistema de acoplamiento álabe motor fue modificado. Si bien el corcho sintético es práctico, tiene la gran desventaja de que es prácticamente imposible alinearlo con el eje y al ser deformable, con el mismo peso de la turbina tiende a inclinarse. Se optó por encargar tres piezas de tornería en madera que se colocan en cada motor, cuya forma permite acoplar un CD perfectamente. Para sujetarlo y evitar deslizamiento, se utilizó una cubeta para freno, cuyo diámetro coincide con el diámetro interior del CD.
Para poder acoplar la turbina de PVC fue necesario pegar las aspas con adhesivo instantáneo a un CD recortado.
Se eligió utilizar los imanes de neodimio por la gran intensidad de su campo magnético y fueron pegados a las turbinas utilizando adhesivo instantáneo. También se adhirió con pegamento de contacto el cabezal al soporte.
Con el dispositivo listo, se procedió a tomar las mediciones. Se colocó el secador de pelo en un trípode apuntando al generador y se conectó el cabezal a la entrada de micrófono de la computadora. Se realizaron 3 mediciones con el secador ubicado a 3 distancias diferentes para cada una de las combinaciones álabeCmotor, dando un total de 54 muestras. Para cada una se conectó el multímetro a las terminales del generador, se encendió el secador a la velocidad máxima sin calor y una vez estabilizada la lectura de la tensión, se grabó de la señal con la computadora en un lapso de 4 segundos como mínimo. Para contar las revoluciones, se abrió cada archivo grabado con un software de edición de audio, y se procedió a contar la cantidad de picos que se registraron en un determinado tiempo.
La figura 6 muestra un registro de prueba que se tomó con el cabezal de walkman, en el que se ve claramente, la intensidad de la tensión inducida por el cabezal desde que la turbina parte del reposo:
Los datos medidos se resumen en las siguientes tablas. El motor 1 es el de mayor tamaño y el motor 3 es el más pequeño.
Como era de esperarse, la tensión crece al incrementarse la frecuencia. Las siguientes graficas muestran la tensión en función de la frecuencia para cada motor, indistintamente de la turbina utilizada:
La f.e.m. crece más rápido en los motores más grandes, lo que se debe a que las bobinas con las que están construidos tienen mayor número de vueltas. Esto puede apreciarse en la siguiente gráfica:
Aunque turbina de CD resultó mucho más eficiente, en gran medida esto se debe a que el flujo de aire del secador de pelo está concentrado. Cuando se colocó el secador a 1 m de distancia, el flujo de aire sobre las turbinas fue más uniforme y ambas tuvieron un rendimiento semejante.
En el caso del motor 1 que fue el de mejor rendimiento, la pendiente de la recta es aproximadamente m = 0.055[V/Hz]. Extrapolando para tener una noción de que cantidad de revoluciones son necesarias para obtener una salida de 3V se obtiene que:
Es decir que para obtener una salida de 3V son necesarios 55 ciclos por segundo aproximadamente siempre que la relación tensiónCfrecuencia se mantenga constante.
También cabe destacar que esta tensión corresponde al generador descargado y que el número de ciclos necesarios para mantener una determinada tensión se incrementará al incrementarse la carga.
Una vez concluidas las mediciones anteriores, se conectó la salida de los generadores a la entrada de línea (lineCin) de la computadora buscando visualizar la forma de las señales de salida. A continuación se muestran los resultados conseguidos:
Como se ve, la salida no se encuentra rectificada como era de esperarse. Se llegó a la conclusión de que esto se debe a que las placas de audio generalmente filtran la componente continua de la señal por que dicha componente no aporta información sonora. Posteriormente en el laboratorio, usando un osciloscopio se capturo la señal de salida para el motor 1, haciendo girar la turbina con un ventilador de pie. En este caso si se obtuvo una señal rectificada y en este caso la tensión de salida fue aproximadamente igual 0.6V.
Finalmente, se realizó la experiencia inversa: se conectó cada motor a una pila de 1.5V y se contó las revoluciones por segundo. Para ello, en lugar de las turbinas, se utilizó un CD con un imán pegado para disminuir el rozamiento con el aire. La siguiente tabla muestra los datos medidos:
Puede verse que para una frecuencia dada cada motor genera una tensión aproximada 3 veces menor que la tensión que genera a dicha frecuencia. El motor 1 a una frecuencia de 8.4Hz generó una tensión de 0.48V, mientras que para que la turbina girara a 8.3 ciclos por segundo fue necesaria una tensión de 1.41V. En el caso del motor 2, a una frecuencia de 22.3Hz también generó una tensión de 0.48V, mientras que fue necesaria una tensión de 1.26V para lograr dicha frecuencia. Con el motor 3 como generador nunca se logró una frecuencia de 32.5Hz.
MATERIALES:
Generales:
- 3 motores de corriente continua de entre 3 y 12 Voltios
- 3 piezas de madera para acoplar los motores a las turbinas
- Cubeta para freno
- Cables
- Soldador de estaño
- Cámara fotográfica
- Cinta adhesiva
- Herramientas varias
Para las aspas:
- Tubo plástico de 2.5 cm de diámetro por 15 cm de largo
- Varios CD o DVD
- Corcho sintético
- Vela
- Tijeras
- Sierra
- Lima
Para el soporte:
- Taco de madera
- Base de madera
- Goma Eva
- Cámara de automóvil
- Pegamento de contacto
- Clavos y tornillos varios
- Hilo encerado
- Adhesivo instantáneo
Para las mediciones:
- Multímetro
- Osciloscopio
- Computadora
- Cabezal de walkman
- Jack mono de 3.5mm
- Micrófono
- Imanes de neodimio
- Imanes para heladera
- Secador de pelo
- Dos cables cocodrilo 1.2 m de largo y 1 mm2
Plano aspas PVC:
http://www.yourgreendream.com/diy_pvc_blades.php
Colaboración:
Franco Javier Salinas Mendoza
Carrera de Ing. En Computación
Universidad Nacional de Tucumán - Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología
Departamento de Física - Cátedra de Física Experimental II – 2011
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Experimentos de energía
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