Cargador de teléfono móvil con mini-central eólica

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Hola 100tíficos!

Tenía ganas de hacer un proyecto para energía eólica, y como últimamente me han sugerido mas de una vez hacer un tutorial sobre el tema, pues me he decidido y ahí va....

En este artículo vamos a ver cómo construir una pequeña central eólica que además de servirnos para comprender el funcionamiento de estas máquinas, nos va a servir para algo útil: Cargar nuestro teléfono móvil, nuestro celular.

La cantidad de electricidad producida es pequeña porque la maquina también lo es, he querido que este proyecto pueda ser realizado sin grandes inversiones y sin tener maquinaria avanzada ni grandes complicaciones...

Al ver la máquina, puede uno decir: "Es muy grande para tan poca energía.", y también: "Es muy pesada, demasiado robusta"

Respecto a lo primero, decir que una máquina eólica tiene implícita una potencia que viene dada por la superficie que intercepta de viento. En esta máquina, la superficie no llega a la tercera parte de un metro cuadrado. Así que se trata de una máquina realmente pequeña. Y si tenemos en cuenta que se va a utilizar para un régimen de vientos moderados, el tamaño es adecuado.

Respecto de lo segundo, cierto es que si se puede hacer con materiales mas ligeros, pero la experiencia me ha demostrado que cualquier cosa que se ponga a la intemperie, y sobretodo si se trata de algo que se mueve, es atacado sin piedad por la acción del Sol, lluvia, humedad, polvo, oxidación, pudriciones... mas las consecuencias del movimiento de la propia máquina: Desajustes, fatiga de materiales. Así que lo mejor es "pasarse" en lugar de "quedarse corto" en la elección de los materiales. El resultado: Una máquina mas pesada de lo que un principio uno creía.


Tipo de máquina, características:
Tipo: Eje vertical, rotor Savonius
Generador: Motor paso a paso reciclado de impresora
Turbina: Largo: 90 cms, ancho: 34 cms (ancho opcional recomendado: 20 cms)
Voltaje entregado: Constante: 5 voltios regulados electrónicamente
Peso aproximado: 10 Kgs

Ventajas del savonius frente al aerogenerador:
- No necesitan dispositivo de orientación. Siempre están orientados.
- Al no haber sistema de orientación, la máquina no gira, solo gira el rotor. Esto hace que el cable de bajada no se retuerza. En los aerogeneradores, al girar toda la máquina para orientarse al viento, el cable se retuerce...a no ser que pongamos un dispositivo de escobillas y colectores para evitarlo. También nos vamos a evitar este engorroso dispositivo.
- Arrancan con un viento flojo.
- No tienen tantos problemas de vibraciones y stress mecánico.
- No necesitan sistemas de protección contra vientos duros.


En este blog, para complementar al vídeo, voy a ocuparme mas bien de las medidas y detalles de cada una de las tres partes que componen este proyecto. Si estás realmente interesado en hacer este montaje, no dejes de ver el vídeo (al final de este texto) porque también contiene información necesaria.

PARTE 1) Generación y acondicionamiento de la electricidad
PARTE 2) Rotor
PARTE 3) Soporte

Vamos una por una...


PARTE 1
Generación y acondicionamiento de la electricidad

DESCRIPCIÓN.

Vamos a producir la electricidad con un pequeño motor de impresora

La mayoría de los motores eléctricos tienen la cualidad de que si les imprimes movimiento, te entregan electricidad, es decir, son reversibles. Hay un tipo de motor interesante para esto, que son los motores paso a paso que suelen llevar las impresoras y otros muchos dispositivos. He comprobado que entregan bastante electricidad a muy bajas revoluciones por lo que los considero candidatos ideales para esta aplicación.

El motor elegido, en una prueba dinámica entregaba entre 3 y 4 voltios a 100mA a muy bajas RPM (240 RPM, 4 revoluciones por segundo). Sin embargo hacen falta 5 voltios para cargar un móvil. Si el motor gira más rápido sí se producen 5 voltios (y más), pero...no se puede esperar que un savonius vaya a más de 4 revoluciones por segundo a no ser que haya un vendaval.

El motor está produciendo una cantidad de energía suficiente como para cargar un móvil, pero no en el formato que necesitamos. Vamos a tunear las cosas para convertir esos 3-4 voltios en 5.

Consideraciones en el diseño del rotor:
La energía de un rotor savonius está determinada (entre otras cosas) por su tamaño, su superficie. Ahora bien, si tenemos dos rotores con la misma superficie, pero uno es alto y delgado, y el otro es bajo y ancho, ambos tienen el mismo potencial energético...pero no lo van a entregar de la misma manera. El primero lo va a entregar en forma de mayor velocidad de giro (pero con menor par), y el segundo lo entregará con menor velocidad de giro (pero con mayor par).

Estupendo. Nosotros necesitamos el tipo alto y delgado, para que esa energía se nos entregue en forma de velocidad (necesitamos 4 revoluciones por segundo, y esto ya es bastante velocidad para un savonius, que son máquinas lentas por naturaleza).

Vale. Con lo anterior, ya estamos poniendo las cosas de nuestra parte, pero aún quedan problemas por resolver:


El generador da corriente alterna, y el móvil quiere corriente continua

Esto lo vamos a solucionar con un sencillo rectificador de onda completa. Son tan sólo un par de diodos. Convertiremos la corriente alterna en contínua.


El generador proporciona 3-4 volts, y necesitamos 5.

Al rectificador anterior, le vamos a incorporar lo que se conoce como "doblador de tensión", así que convertiremos esos 3-4 voltios en 6-8 voltios. Con un par de condensadores electrolíticos lo conseguiremos.


Según la velocidad del viento, el motor genera corriente variable, y el móvil necesita 5 voltios constantes.

Cierto. No solamente el voltaje será variable en función del viento, sino que ese voltaje puede superar un límite y ser dañino para el móvil. Para solucionar esto vamos a echar mano de un conocido componente electrónico que sirve como regulador. Se conoce como 7805. A su entrada se le hace llegar una tensión que puede ser variable en un amplio rango, pero a su salida entrega 5 voltios constantes. De ahí su denominación "7805". También existen los 7806, 7809, 7812... que entregan a su salida 6, 9, 12 voltios respectivamente...

Se da por hecho que un 7805 no puede suministrar esos 5 voltios si en la entrada no hay al menos esos cinco voltios. Es decir, un 7805 "recorta" todo lo que sean mas de 5 voltios, pero no puede "aumentar" a 5 voltios si le estamos suministrando...3 voltios a la entrada. Pero como tenemos un doblador de tensión, bastará con que el generador alcance 3,5 voltios para hacer funcionar al 7805.

Los tres problemas anteriores serán resueltos en un sencillo circuito electrónico que tiene tan solo 8 componentes. Este circuito tiene una entrada de corriente y una salida. El motor generador se acoplará a la entrada de este circuito, y a su salida se conectará el móvil a cargar mediante un conector USB. Allí tendremos una tensión constante de 5 voltios.


Acompaño el esquema del circuito:

El funcionamiento del circuito está explicado en el vídeo. Aunque algunos componentes han cambiado con respecto al circuito mostrado en el vídeo, el funcionamiento es igual puesto que esos cambios son relativos a valores de algunos componentes, pero el circuito se mantiene igual.

Este montaje se puede acomodar en cualquier tipo de recipiente (que sea aislante, claro, para evitar cortocircuitos), como un tupperware de cocina, una caja de puros, etc, puesto que no hay tensiones elevadas ni producción de calor, la elección de la caja no es crítica. En mi versión usaré un tupper de cocina.


COMPONENTES PARA LA PARTE ELÉCTRICA-ELECTRÓNICA:

-1 Motor paso a paso
-2 diodos 1n4148 o equivalentes.
-2 condensadores electrolíticos 1000 uF/63 V
-1 circuito 7805 (produce 5 V constantes a su salida)
-1 radiador disipador para el 7805, tornillo y tuerca de 3mm para fijarlo.
-1 batería 12V - 7 Amperios hora (recomendado). Mínimo 3 Amperios hora.
-1 Interruptor
-1 fusible entre 1 y 1.6 amperios
-1 conector USB
-1 caja o tupper, para contener el cargador. Bridas, tornillos para sujetar
-1 tupper para contener y proteger al motor en la máquina
-1 cartón o circuito impreso para alojar los componentes
-2 clavijas hembra conector jack 6,3mm (monoaural)
-2 clavijas macho conector jack 6,3mm (monoaural)
-cable eléctrico de sección suficiente: el necesario.
-1cable adaptador de USB a cargador de móvil

Anotaciones acerca de estos componentes:

- Motor paso a paso: Elegid uno que tenga una prestaciones parecidas a las que muestro en el vídeo. El que yo puse tenía unas "orejetas" para sujetarlo con tornillos, este detalle es importante. Estos motores no llevan los típicos dos cables, llevan cinco o más. Solo vamos a utilizar dos. Para determinar cuáles utilizar, probad pares de cables y elegir aquéllos dos que ofrezcan mas voltaje de salida.

Al hacerlo girar con la mano notaréis que cuesta bastante. No es como el motor común de corriente continua muy suave de mover: Es el precio que hay que pagar por tener una energía considerable a muy bajas RPM. Si se le conecta una carga a ese motor, notaréis que moverlo cuesta aún más. Esto es normal. Los que hemos tenido bicicleta con "dinamo" sabemos que aunque la dinamo estuviera puesta sobre la rueda, si la luz estaba apagada no costaba mucho moverla. Pero cuando conectábamos la luz, la bici costaba mas moverla. Costaba bastante más. Si a nuestras piernas les costaba encender un bombillita, al viento también le costará mas. Por eso, aunque esta máquina parezca demasiado grande, no lo es.

- Diodos, condensadores y 7805: Nada en especial

- Batería: En un principio usé una batería de 6 voltios, pero tuve que cambiarla por una de 12 voltios. La razón de este cambio: El 7805 entrega 5 voltios a su salida si le suministras apenas esos 5 voltios a su entrada...pero con una intensidad muy reducida. Para que el 7805 funcione bien debemos suministrar a su entrada una tensión unos dos voltios mayor (7 voltios). Esto nos obliga a usar una bateria de 12 voltios. 

También he elegido finalmente una batería de bastante mas capacidad. En principio la puse de 1,2 amperios-hora, pero esto es claramente insuficiente. Un móvil carga a una intensidad de casi medio amperio, y una carga completa puede durar 3 horas. Esto implica que 0,5 amperios * 3 horas = 1.5 amperios hora. Es decir, un poco más que la capacidad de la batería que muestro en el vídeo, pero hay más: Esos 1,2 amperios hora son teóricos. A una batería no se le puede extraer el 100% de la capacidad, sólo el 50%. Por lo tanto, necesitamos una batería de 3 amperios-hora para satisfacer esos 1.5 amperios hora. Para no quedarme corto, y para asegurar autonomía para dos cargas, elegí una batería de 7 amperios-hora, claramente mayor en volumen y peso que la inicial, pero prácticamente el mismo precio.

Un hecho que conviene saber acerca de las baterías, es que una batería de "12" voltios a plena carga no tiene 12 voltios, sino 13.8. Si se obtiene una lectura de 12 voltios, es que está bastante descargada.

- Interruptor: Utilicé uno de tipo empotrable. A la caja que lo va a contener se le hace un agujero de las medidas del interruptor, y se empotra, quedando fijado.

- Fusible 1 Amp:  Protege al circuito y a la propia batería de un cortocircuito accidental. Inicialmente puse uno de 0,5 amperios, pero 0,5 amperios es la intensidad a la que se realiza la carga de un móvil, y el fusible está al límite de la rotura, muy caliente, lo que provoca pérdidas por efecto joule. Así, mejor un fusible de entre 1 amperio y 1.6 amperios.

- Conector USB: Lo único a tener en cuenta es su patillaje. Tal y como se ve en la foto bajo estas líneas, la pista y patilla de la izquierda es el positivo, las de la derecha, el negativo. Los dos centrales son para datos: No se usan en este proyecto.

Los conectores USB tienen mala sombra para ser fijados en una caja o tupper tal y como se hace con otros tipos de clavijas o conectores. No hay ni orejetas para fijar con tornillos, ni roscas con tuerca como en las clavijas de auriculares, etc. Sólo están las cuatro patillas, que deberán ser soldadas las cuatro al circuito impreso, a fin de sujetarlo bien. Aunque no se van a utilizar las dos patillas centrales, también las soldaremos (aunque no las conectemos a nada) para que dichas soldaduras hagan más sólida la fijación del USB al circuito impreso. Hay que tener en cuenta que cuando se enchufa/desenchufa el conector del móvil, sobre el USB se ejerce bastante presión y podría soltarse con el uso. Por eso, también recomiendo pegarlo al circuito impreso con una gota de buen pegamento. Cuidado con manchar de pegamento las patillas del USB, que luego no agarrará el estaño cuando soldemos...

Conector USB. A la izquierda, polo positivo, a la derecha
el negativo. Las dos patillas centrales son para datos
y no se usan en este proyecto.

- Dos Tupper: Uno para contener el motor y otro, el cargador: Que tengan un tamaño adecuado, especialmente el que va a contener el motor. Debe ser un tamaño mas bien justo, porque si no, podemos tener dificultades para ensamblar el perfil (#4) del mástil, ya que la máquina está dimensionada lo mas ajustada posible para que no sea excesivamente grande.


- Circuito impreso o cartón: Para sujetar los componentes electrónicos y poder soldarlos. Es mucho mejor la opción del circuito impreso que el cartón, por causa del USB, que no tiene opciones de sujeción excepto sus patillas mediante soldaduras a ese circuito impreso. Estos circuitos impresos se pueden adquirir en una tienda de componentes electrónicos, y es suficiente con un tamaño de 6-8 cms de lado. Iremos poniendo los componentes y uniéndolos con pequeños trozos de cable, ya sea por un lado o por otro del circuito. Por supuesto, no vamos a hacer las pistas del circuito impreso utilizando técnicas de revelado o tratamiento con ácidos. Hay versiones de c.impreso que ya levan pequeñas pistas en forma de cuadrado o círculo, y sólo hay que conectar los componentes, y esa es la que vamos a usar.

- Clavijas hembra y macho tipo jack monoaural de 6,3mm: Tanto para conectar el motor al cable de bajada, como el propio cable de bajada al cargador ya en la casa, podríamos hacer un simple empalme, pero no me gusta esta opción: es muy engorrosa en caso de que vayamos a mover o desmontar tanto la máquina como el cargador. He elegido el tamaño grande de clavija jack (6.3 mm) para que pueda entrar un cable de bajada de sección generosa, y esto es porque si el cable de bajada es largo (mas de 10 metros) y además es muy fino, habrá importantes pérdidas (efecto joule) que pueden hacer que al cargador apenas llegue electricidad. Tened esto en cuenta.

Una ventaja de usar conectores y no empalmes es la portabilidad del cargador: Podremos llevarlo con nosotros (sin la turbina, claro, xD) a un lugar donde no haya electricidad, y podremos hacer varias cargas gracias a la batería. Especial para camping, pesca y actividades parecidas en sitios remotos sin electricidad, si vamos a estar mas de 24 horas...que es lo que viene durando la batería en un móvil moderno, :-/

- Cable de bajada: Cable normal de red de dos polos, con la máxima sección posible pero que sea capaz de entrar en las clavijas jack descritas arriba de este párrafo. Para evitar pérdidas por efecto Joule, cuanta mas sección, mejor.

- Cable adaptador de USB al móvil: Es el cable para conectar nuestro móvil al conector USB de nuestro cargador. Si no tienes uno, puedes conseguirlo en un chino, de un cargador de 220V. Cuesta unos 4-5 euros (con cargador incluido). Estos cables, llevan en un extremo el conector USB (Hembra), y en el otro extremo un buen surtido de cables cada uno con un conector distinto para poder ser utilizado en prácticamente cualquier móvil. 

Cable adaptador USB - Cualquier tipo de móvil

PARTE 2
Rotor

DESCRIPCION

Hay que calcular mas o menos el tamaño del rotor para que produzca la suficiente energía con un viento razonable, pero tampoco debemos excedernos en su tamaño para no sobredimensionar la máquina y hacerla innecesariamente grande.

Pienso que un tamaño de casi un metro de alto (90 cms) y un ancho de 34 cms ofrece una superficie al viento suficiente como para mover al motor, que por cierto es algo duro de mover (por eso entrega tanta corriente a bajas RPM). En física no hay nada gratis...

Rotor y motor irán acoplados directamente sin correas, ni poleas, ni engranajes. Esto evita complicaciones de diseño y pérdidas por rozamiento que los elementos antes citados siempre producen. Por esto mismo, es indispensable optimizar el diseño para producir el voltaje necesario (5 volts) a bajas RPM.

Como eje, se va a utilizar una varilla roscada de 8mm de diámetro, que tiene una longitud de 1 metro. Es una medida ideal, pues sobrarán 10 cms de esa varilla descontando los 90 cms del rotor. Este eje, esta varilla, gira solidaria con el rotor, y lo hará mediante los rodamientos oportunos.

A esa varilla se le fijan -mediante parejas de tuercas- dos discos cerca de sus extremos. Serán los soportes para las dos palas o álabes del rotor. En mi caso los he puesto de madera, pero sería mejor opción ponerlos de plancha de aluminio e incluso hierro en cuanto a durabilidad se refiere. Es lo de siempre: Cuanta mas fiabilidad quieras, materiales mas caros (y difíciles de trabajar).

Las palas del rotor son secciones en U, a modo de canales semicirculares que se pueden hacer partiendo de muchos tipos de material, desde secciones de garrafas recicladas, uniendo trozos hasta completar la longitud (90 cms), hasta tubo de PVC de una sola pieza. La primera opción liviana y barata, pero menos duradera y mas laboriosa. La segunda opción (PVC) mas pesada, pero también mas duradera y -aunque sea mas difícil de cortar- es más sencilla (una sola pieza por pala).

Tal y como se describe en el vídeo, cortaremos esas palas y las uniremos a los discos con pequeñas escuadras y tornillería. Importantes las arandelas "grower" que sirven para que no se aflojen tuercas y tornillos.

Después comprobaremos el equilibrado del rotor, haciendo una corrección si es necesario. Esto es importante, porque de no hacerlo, el rotor girara transmitiendo una vibración a toda la máquina (incluyendo el mástil de sujeción), lo que causará tres efectos totalmente indeseables:

1) fatiga de materiales con las continuas vibraciones. Roturas prematuras.
2) pérdida de potencia: Esa vibración no es gratis: es energía que debería estar haciendo girar al rotor más rápido en lugar de hacer oscilar a toda la máquina.
3) Ruido, que se transmite a través del mástil y se oye en la vivienda a través de las paredes.



COMPONENTES PARA EL ROTOR:
-1 Varilla roscada de 8mm diámetro, largo un metro.
-4 Tuercas 8mm con sus 4 Arandelas comunes y 4 arandelas grower.
-2 cuadrados en madera, aluminio o hierro de 340 x 340 mm. Si en lugar de cuadrados puedes obtener círculos, mejor, te ahorrarás recortarlo: igualmente, 340 mm de diámetro: Yo utilicé madera de unos 3mm de grueso.
-1 Trozo de tubo de PVC de 200mm diámetro, largo: 900 mm. (O bien, si lo prefieres, el montaje con secciones de garrafa). Elegí la opción tubo de PVC.
-12 escuadras pequeñas 2-3 cms de lado con taladro de 3mm
-24 tornillos, arandelas comunes, arandelas grower y tuercas.



Planchas cuadradas 340x340mm (o círculo de 340mm diámetro): Sobre estas planchas vamos a sujetar con pequeñas escuadras los dos álabes o palas de la turbina. Sobre estas dos planchas -con ayuda del compás- se marcan unas líneas para determinar (mas o menos) la posición de dichas palas.

Disco para sujetar las palas del rotor.

Se observa una línea central, en cuyo centro hacemos un taladro de 8mm para que pase el eje (varilla roscada de 8mm). En esa línea central trazamos dos semicircunferencias de 20 cms de diámetro para señalizar la posición de cada una de las palas. Como 20 + 20 = 40 y el disco tiene 34 cms, las circunferencias se solapan 6 cms, que es lo que se busca precisamente.

Hay que hacer un segundo disco exactamente igual, para la parte de arriba del rotor, pero teniendo en cuenta que las semicircunferencias tienen que ser invertidas: La semicircunferencia de la izquierda "mirará" hacia nosotros, y la de la derecha al revés, pues para ponerla arriba hay que darle la vuelta una vez hechos los dibujos.



PARTE 3
SOPORTE

DESCRIPCIÓN

La última parte del proyecto, es el montaje para sujetar el rotor y que gire libremente. A continuación, un esquema de cómo es la máquina. Veréis que junto a cada pieza del soporte aparece un número para identificarla. Me referiré a ellas como #1, #2, etc. La pieza #3 no existe debido a una mejora sobre la marcha mientras hacía la máquina.

Disposición general de la máquina

COMPONENTES PARA EL SOPORTE Voy a enumerar todas esas piezas así como el resto de componentes del soporte, con sus medidas y anotaciones:

Para el armazón:
-#1: Madera para alojar rodamiento radial superior
-#2: Madera para alojar rodamiento radial inferior
-#4: Perfil en "L" para acoplar al mástil (este perfil es diferente a los otros)
-#5 y #7: Perfiles en "L" verticales.
-#6: Perfil en "L" superior
-#8: Perfil en "L" sobre el que descansa el rotor
-#9: Perfil en "L" para el generador
-#10 y #11: Perfiles en "L" para repartir esfuerzos y hacer mas fuerte el soporte.
-6 Escuadras: 4 para las esquinas, y se recomienda poner 2 en el perfil #8
-Al menos 26 tornillos de estantería + sus arandelas grower y tuercas, en 8mm.

Resto de componentes:

-4 tornillos de 8mm diám, largo 25mm para fijar maderas #1 y #2 a los perfiles, así como 4 arandelas de ala ancha, 4 arandelas grower y cuatro tuercas

-2 Rodamientos de skate-longboard. Diametro interno 8mm externo 22mm

-1 Rodamiento axial
-Arandelas grandes de 8mm diámetro interno, para ajustar.
-Una o dos llaves de tubo, para acoplar el rotor al motor.
-Dos tuercas 8mm + grower para fijar el acoplamiento al eje del rotor
-Una tuerca 6mm para pegar al eje del motor (generador)
-Un tupper para encerrar el motor
-2 tornillos de 3mm diám, largo 10-15mm para fijar el conjunto motor-tupper al perfil #8, con sus respectivas 2 arandelas normales, 2 grower y 2 tuercas.
-1 Clavija hembra y otra macho tipo jack mono 6.3mm para el tupper del motor
-1 Tubo de unos 2 metros largo, diametro 40mm, como mástil
-Herrajes para fijar el mástil (valen los típicos para sujetar antenas).


Información adicional sobre algunos de los componentes anteriores:



-#1: Madera para alojar rodamiento radial superior: Esta madera va fijada al perfil superior #6 y sirve para alojar el rodamiento superior. Le haremos un taladro según las cotas en el siguiente dibujo para albergar el rodamiento, para hacer ese taladro tan ancho usaremos una broca de "pala". Después, completamos el taladro traspasando toda la madera con un taladro de 10mm ¿porqué de 10mm si el eje es de 8mm?: Para que no roce el eje. Lo que va a sujetar estrechamente al eje es el rodamiento, no la madera. Aconsejo encarecidamente no usar aglomerado, mejor algún tipo de madera de mayor calidad que no se deforme ni se deshaga con tanta facilidad.

Bancada en madera para el rodamiento superior

-#2: Madera para alojar rodamiento radial inferior: Igual que el #1, para el rodamiento inferior.

-#4: Perfil en "L" para acoplar al mástil: Un perfil en "L" de estantería no era capaz de aguantar el tipo, ya que en este perfil recae el esfuerzo de flexión de toda la máquina: Se flexionaba al intentar izar la máquina. Es de suponer que con un viento duro también lo haría, con peligro de ceder y romper. La zona de unión con el mástil parecía estar hecha de mantequilla. Opté por poner aquí un ángulo también en forma de "L", con las mismas medidas que #6, #8 y #9, pero con un grosor mayor, y demostró ser muy sólido. Se le hicieron taladros de 8mm a la misma distancia que el resto de los perfiles de estantería, para poder ser fijado

El grosor de la pared de este ángulo es de 3 mm. El largo es de 470mm, y cada uno de los lados del ángulo es de 40mm.

El resto de los perfiles a continuación, son del tipo standard de los utilizados para montar estanterías:

Angulo o perfil de estantería.  Auténtico mecano para
hacer proyectos fácilmente

Este material es una maravilla para éste y muchos otros proyectos:

1) Resistencia y durabilidad más que aceptables.
2) No es excesivamente caro
3) Puedes mecanizarlo tú mismo, con una sierra de metal
4) Lleva taladros a lo largo, nos ahorramos el hacerlos nosotros, taladrar este material no es tarea fácil. Las uniones serán muy rápidas (tornillo+grower+tuerca)
5) Fácil de encontrar, muy standard.

Iremos uniendo los perfiles ya cortados a la medida, con tornillo, arandela grower y tuerca. Pondremos escuadras en las esquinas para darle robustez al conjunto y evitar que se deforme la estructura. Los tornillos y tuercas no son suficientes. Las escuadras son absolutamente necesarias, y las arandelas grower también. Queremos hacer una estructura que aguante los esfuerzos que vendrán. No un acordeón.

-#5 y #7: Perfiles en "L" verticales: Hechos con perfil de estantería como el de la foto de arriba, largo 1200mm, cada lado de la "L" mide 40mm.

-#6: Perfil en "L" superior: Hecho con perfil de estantería del mismo tipo que el anterior, largo 470mm

-#8: Perfil en "L" sobre el que descansa el rotor: Mismas medidas que #6

-#9: Perfil en "L" para el generador: Mismas medidas que #6 y el #8

-#10 y #11: Mismo tipo de perfil que #5, 7, 6, 8 y 9. Largo: 170mm. Estos perfiles son absolutamente indispensables para repartir el esfuerzo de flexión, pues de no ponerlos todo el esfuerzo recae sobre #4 y la máquina colapsará en caso de vientos duros. También sería probable que en el momento de izarla, la estructura se doble.

-6 Escuadras: También es imperativo su uso, pues por muy fuerte que apretemos los tornillos de los perfiles de estantería, la estructura se deformará con las condiciones de trabajo, pudiendo hacer que el rotor choque o incluso se salga de su sitio.

Acompaño otro croquis con las medidas a las que debe ponerse cada uno de los perfiles, aquí aparecen los perfiles #10 y #11 tan necesarios, que en el dibujo anterior (disposición general de la máquina) no aparecen:

Disposición de los perfiles

Resto de componentes:


-1 Rodamiento axial: Las medidas no son críticas, debe tener un diámetro interno como mínimo de 8mm para que pase el eje del rotor (varilla roscada) a su través, pero también puede tener más de 8mm. El rotor no "bailará" por esto ya que abajo también hay un rodamiento radial de 8mm que lo impedirá. La altura del cojinete axial tampoco es crítica tal y como se ve en el vídeo.


En la foto siguiente, a la derecha, podéis ver uno de estos rodamientos axiales. Pueden soportar pesos muy elevados:


Una vez que tengamos toda la máquina lista para ser emplazada en su sitio definitivo, no debemos olvidar lubricar este rodamiento axial. Si olvidáis este paso, la máquina os lo recordará en forma de ruido chirriante además que el rodamiento durará solo unas horas, increíble pero cierto. Yo utilicé aceite de máquina de coser.

A la izquierda, dos rodamientos comunes (radiales)
de los utilizados en skateboarding y longboard.
Derecha: rodamiento axial

-Arandelas grandes de 8mm diámetro interno, para ajustar: Dependiendo de la altura del rodamiento axial (y también pequeñas tolerancias en el montaje), vamos a poner en el eje del rotor arandelas de ala ancha para ajustar la posición del perfil #8 a fin de hacerlo coincidir con dos agujeros de los perfiles #5 y #7. No queremos hacer taladros. 

-Una o dos llaves de tubo, para acoplar el rotor al motor: Esta es la parte más "artística" de la máquina. La idea es sencilla: Unir mecánicamente el rotor con el motor, pero con una condición muy importante: Que no sea de forma rígida, es decir, debe haber cierta holgura o "juego" en sentido longitudinal a los ejes. Esto es para evitar, por un lado, que hayan tensiones mecánicas, por otro lado, la posibilidad de que el acoplamiento se suelte. También evitamos ruido.

Una buena forma de hacerlo es: 
1. Poner en el extremo inferior del eje del rotor un par de tuercas con una grower entre ellas para que no se muevan.
2. Poner otra tuerca (pegada) en el piñón del motor
3. Unir ambas tuercas con...¡¡una llave de tubo!!

La solución parecía sencilla y acertada, y de hecho creo que lo es, pero había una pega: 

Una tuerca de 8mm venía "al pelo" para el eje del rotor, pero en el piñón del motor esa misma tuerca de 8mm no tenía buen asiento, y por muy bueno que fuese el pegamento, se soltaría. Observé que una tuerca de 6mm ofrecía un asiento excelente sobre dicho piñón. Así que pegué con pegamento epoxi una tuerca de 6mm sobre el piñon del motor.

Y aquí viene la pega: Buscando llaves de tubo baratas en los chinos (no estaba dispuesto a gastarme no-se-cuántos euros en una llave de calidad) me encontré con que -nunca- había una llave que tuviese un extremo para tuercas de 8mm, y otro extremo para tuercas de 6mm

Solución: Dos llaves, una de 8mm y otra de 6mm. Se cortan a la medida, se unen, y...ya está el acoplamiento hecho.

-Un tupper para encerrar el motor: Debe ser lo más ajustado posible en cuanto a altura, para no tener problemas de espacio a la hora de fijar el mástil con su ángulo #4. Prever espacio en un lateral para poner una clavija jack hembra monoaural de 6.3mm a la cual le conectaremos los cables del motor. No importa la polaridad, recordad que estamos en corriente alterna, no será hasta después del cargador que obtengamos corriente contínua.

-1 Tubo de unos 2 metros largo, diametro 40mm, como mástil: En hierro, este componente lo compré (junto con el ángulo #4) en Talleres Valverde, en Espinardo. También me hicieron allí la soldadura del tubo al ángulo, y los taladros en el ángulo para poderlo fijar con tornillos, grower y tuerca a #5, #7, #10 y #11. El precio, super-económico, y la atención de 1ª, como es habitual. Gracias, Cayetano, xDD


NOTAS FINALES


Una vez terminadas las tres partes, sólo queda fijar la máquina en su emplazamiento y hacer las conexiones para tirar un cable de bajada hacia donde vayamos a cargar el móvil.

Como digo en el vídeo, por seguridad y sentido común, es mejor que pongamos la máquina en un sitio donde en caso de fallo, no pueda caer nada a la vía pública ni a terreno de terceros.

Después de varios días funcionando, la quité de su sitio para subsanar dos problemas, que han sido resueltos satisfactoriamente. Los dos problemas eran:

1. Todo el conjunto oscilaba ligeramente cuando soplaba viento, a pesar de estar equilibrado el rotor. El motivo: Cuando hice los taladros en las maderas #1 y #2 con la broca de pala, el taladro salió ligeramente superior a 22mm (el diámetro externo del rodamiento), por lo que los rodamientos tenían un poco de holgura, que se traducía en un vaivén excéntrico de la turbina. Lo solucioné poniendo entre el rodamiento y la madera una tira de plástico para que el rodamiento entre ajustado en su taladro, ya sin holguras.

2. Otro problema: Cuando giraba, se oía un ruido rítmico según la velocidad del rotor, y ese ruido se transmite no sólo por el aire, sino a través de la obra. por toda la casa. Puede que a ti ese sonido te suene a gloria, porque sabes que tu máquina está trabajando, xD, pero a tu vecino quizás no le haga tanta gracia...

La causa: Cuando puse el perfil #9 con el motor en la máquina, ingenuamente creí que ese perfil de estantería se podía ajustar antes de apretar los tornillos, pero no: Estos tornillos llevan unas muescas que hacen que al final, el perfil va a una posición "obligada", fija y predeterminada, sin posibilidad de ajuste. Resultado: El acoplamiento quedó sin holgura, todo lo contrario: iba haciendo presión tanto en el rotor como en el motor, no iba suelto. Esto no solo frenaba al rotor, sino que hacía girar forzados tanto al rotor como al propio motor.

Solución: Extraje el acoplamiento y le rebajé tres milímetros de longitud con una amoladora. Entonces sí que conseguí esa holgura de 1-2 mm una vez apretados los tornillos del perfil #9. Se acabó el ruido. Ahora gira mas silencioso que un reloj, como debe ser en un savonius...


Como no podía ser de otra forma, aquí tienes el vídeo describiendo todas las fases de construcción de la máquina, desde el principio hasta el final:

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MODIFICACIONES


Modificación importante y muy ventajosa:
Hacer el rotor mas pequeño, igual de largo pero mas estrecho

Es muy importante no sólo la cantidad de viento, sino también su calidad. Y esto no podemos elegirlo. Estamos donde estamos. En un entorno como el mío, que estoy rodeado de edificios mas altos, que no solo me tapan el viento, sino que también lo hacen turbulento, tengo que asumir un tamaño de máquina bastante mas grande que el que sería necesario en una situación idónea: Lugar con vientos constantes y de cierta intensidad, sin obstáculos.

Si hay obstáculos cerca, el viento es turbulento, tiene cambios súbitos de dirección e intensidad que harán que la máquina y su mástil oscilen, y no imprimen a la turbina la velocidad que en teoría debería tener. Notamos viento, y sin embargo, la turbina no gira, o lo hacer irregularmente. Típico.

Una situación ideal para cualquier máquina eólica sería un emplazamiento que no tenga cerca objetos que "tapen" el viento (árboles, edificios, accidentes geográficos), y que el suelo no tenga irregularidades notables. La costa suele ser un lugar excelente. Agua y tierra tienen un comportamiento térmico muy distinto y eso provoca vientos constantes y de cierta intensidad.

Si estás en un sitio con vientos de calidad, esta máquina puede hacer el mismo trabajo con un tamaño menor, tal y como describo a continuación:

Sugerencia: En lugar de hacer el rotor a 34 centímetros de ancho, se podría hacer a 20 centímetros. El resultado: Una máquina mucho mas pequeña, compacta, resistente, menos sujeta a stress mecánico, con menor peso, mas sencilla de hacer, montar y desmontar. Y mas económica.

Este cambio es bastante sencillo: El soporte no hay que modificarlo en absoluto, sólo vamos a modificar el rotor: Los dos discos, en lugar de 34 cms de diametro, tendrán 20. Para las palas, en lugar de usar tubo de PVC de 20 cms de diametro, usaremos de 12 cms de diámetro. El largo se mantiene constante: 90 cms.

Este cambio lo estoy haciendo en este mismo momento (10 Feb 2013), el nuevo rotor de 20cms de diámetro está a medio hacer y espero terminarlo muy pronto. La razón de hacer un rotor más estrecho es la siguiente:

Me he percatado que cuando el rotor gira, lo hace con mucha fuerza (par de giro), muchísima más fuerza de la necesaria. Cierto es que este motor paso a paso es "duro" de mover, pero el rotor de 34 cms está claramente sobredimensionado y lo mueve como si nada. Por lo tanto, nos podemos permitir un rotor mas pequeño con las ventajas antes enumeradas. Ahora bien, mas pequeño...¿cómo? ¿mas corto? ¿o mas estrecho?

La elección está clara: mas estrecho. Si hacemos el rotor más estrecho, éste girará...¡mas deprisa! Así que se dará la paradoja de que con un rotor más pequeño, está máquina será mas eficiente, ya que al girar mas deprisa, el motor paso a paso entregará mas tensión e intensidad. De carambola, ganamos que al hacer el rotor mas estrecho (y no mas corto) no tenemos que hacer ningún cambio en el soporte: Nos vale exactamente como estaba.

Este proyecto me ha sorprendido, no esperaba este comportamiento del savonius, y todo es debido al diseño estilizado del rotor que lo hace girar tan rápido y permite el acoplamiento directo al generador, sin engranajes. De verdad, cuando esta máquina con su rotor de 90 cms de largo empieza a girar y alcanza o supera las 6-7 revoluciones por segundo, no hay quien la pare. Ni se te ocurra meter la mano para pararla: puedes salir seriamente lastimado y no hablo en broma. Pienso que podría mover un generador basado en un motor paso a paso bastante mas potente que el que le he puesto. Si se hiciera el rotor a un largo de 2-3 metros (este PVC no flexiona), la potencia que entregaría esta máquina ya empezaría a ser interesante desde el punto de vista de una casa de campo o similar, aunque en este último caso habría que usar otros materiales para el soporte, mas rígidos, y unos ligeros cambios en el rotor, y por supuesto, otro generador mas potente.

En este vídeo de muy corta duración podéis ver el nuevo rotor mas estrecho, a 20 cms de diámetro girando mucho mas rápido que antes con el de 34 cms:

modificaciones En el circuito cargador.

Las modificaciones ya están reflejadas en la lista de componentes de la parte eléctrica, pero creo que debo una explicación del porqué del cambio en el circuito cargador.

En primer lugar, el tener que adoptar una batería de doce voltios en lugar de una de seis. Esta imposición a su vez viene del hecho de que hay que alimentar al 7805 con una tensión dos voltios por encima de esos cinco voltios, así que 5 + 2 = 7 con lo cual una batería de seis voltios nos quedaba corta. Y el siguiente valor de voltaje en baterías convencionales de plomo es precisamente...12 voltios.

Aunque el rotor estrecho a 20 cms gira más rápido y entrega mas tensión, el reto ahora es conseguir los 16 voltios (o más) para que cargue la batería, que ahora es de 12 voltios. Por eso, el doblador de tensión en el rectificador formado por D1, D2, C1 y C2 es necesario.

C1 y C2 en el circuito anterior eran de 10.000 uF, ahora son de 1000 uF valor mas fácil de encontrar. El voltaje también ha cambiado, la mayor velocidad del rotor y el doblador de tensión hacen que puedan producirse con facilidad 30 voltios...y mas. Si no encontráis de 63 volts, ponedlos de 100, pero nunca de menos de 63.

C3 ha sido suprimido

Muy importante, poner un radiador al 7805 para que disipe el calor, porque si no, se calienta bastante. Como dije antes, la carga de un móvil se realiza a un valor de casi medio amperio. El 7805 puede aguantar hasta 1 amperio, pero lleva una aleta con taladro para acoplarle un pequeño disipador. Se supone que con un consumo de medio amperio ya se le debe poner ese disipador.


He hecho hasta tres versiones de cargador, hasta dar con una buena, solucionando los problemas que se presentaban.

La versión inicial, con batería de 6 v, presentaba algunas deficiencias:

Cargador versión 1

En la versión 2 se solucionó el problema de que al 7805 hay que alimentarlo con al menos 7 voltios: se puso una batería de 12 voltios, pero con la misma capacidad de 1,2 Ah (insuficiente). También se dotó al 7805 de un radiador disipador.

Cargador versión 2, interior. El 7805 con un disipador

Cargador 2, montado

...y en la versión 3, la última, atajé el problema de falta de batería: Una generosa bateria de 7Ah, para varios ciclos de carga:

Cargador 3, definitivo. Batería de 7Ah

Cargador 3, definitivo. Montado

La velocidad del viento es de suma importancia

El interés por un viento lo más rápido posible no es en vano. No se pone una máquina eólica en cualquier sitio...

A doble velocidad de viento, no doble, no cuatro, sino ocho veces mas energía.

La energía eólica es energía cinética. La del aire en movimiento, que a fin de cuentas, es materia. Pero vamos a ver...¿como que ocho veces mas?

La archiconocida fórmula para la energía cinética es:

Energía = Masa * velocidad^2

(energía = masa multiplicada por el cuadrado de la velocidad).

En esta fórmula, queda claro que cuando la velocidad es el doble, la energía es cuatro veces más, no ocho veces mas...

Si, pero...

Una cosa es un objeto sólido, por ejemplo, un vehículo. Un coche que pese 1000 Kg, pesará 1000 Kg sea cual sea su velocidad (dejemos ahora la teoría de la relatividad, que para estas velocidades mundanas no influye, xD).

Otra cosa muy distinta a un objeto sólido concreto es una vena de un fluido como es el aire. Cuando su velocidad es el doble, también la masa implicada es el doble, en una unidad de tiempo, el aire que atraviesa la turbina será el doble, y por lo tanto también la masa es el doble. Como consecuencia de esto, en la formula tenemos:

Energía = masa (si la velocidad es el doble, la masa que impacta en la turbina también es el doble) * velocidad ^2

De lo que se deduce que, hablando de viento, una velocidad de el doble, acarrea una energía del orden de ocho veces más.



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