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Experimentación con generadores Eólicos (MEC033S) (MEC034S)

Fuentes alternativas de energía son el objetivo de muchas investigaciones en todo el mundo. Con la disminución de los recursos energéticos naturales, parte del enfoque se ha centrado en encontrar nuevas fuentes de energía que puedan satisfacer nuestra demanda y proporcionar energía rápida y económicamente. Una de las fuentes de energía alternativas más importantes es el viento. El aire de movimiento rápido (viento) representa un gradiente de presión disponible lo suficientemente grande para alimentar dispositivos de conversión de energía. Este artículo describe algunos proyectos experimentales interesantes relacionados con la energía eólica.

1) Este artículo se obtiene reuniendo varios proyectos del autor publicados en libros y revistas brasileñas. Ellos fueron traducidos al inglés y luego incluidos en el libro Mechatronics For The Evil Genius publicado en EE.UU.

2) Un trabajo completo basado en este artículo es ideal para estudiantes de tecnología a nivel básico (STEMers).

 

   El nombre de la fuente alternativa de energía representada por el viento es eólica de la palabra griega Eos, que significa viento. Los generadores eólicos son dispositivos o transductores que convierten la energía eólica, o la energía del viento, en electricidad.

   Este artículo describe un simple generador eólico con una salida lo suficientemente grande como para alimentar pequeños dispositivos electrónicos. Esta sección también describe variaciones en el proyecto para aumentar la potencia del generador y para construir otros dispositivos que se pueden usar en aplicaciones pesadas como fuentes de energía alternativas.

   Nuestro artículo permitirá a los lectores ahorrar costos relacionados con el uso de la energía eléctrica tradicional obtenida a través del distribuidor local de energía y usar parte de la energía libre entregada por la Madre Naturaleza.

   Nuestro proyecto eólico básico es muy simple y producirá sólo energía suficiente para mostrarle que es posible hacer la conversión. Se sugiere una variedad de circuitos experimentales que pueden ser alimentados por su proyecto eólico.

   Usted aprenderá mucho acerca de la energía eólica e incluso creará un sistema de iluminación, una simple radio, un diodo emisor de luz (LED) y otros dispositivos simples que pueden ser alimentados por su fuente de energía alternativa.

 

Objetivos

- Mostrar cómo la energía del viento se puede convertir en energía eléctrica.

- Utilice un pequeño motor de corriente continua como una dinamo para alimentar pequeños aparatos electrónicos.

- Aprende cómo funciona una dinamo.

- Tener una idea acerca de la cantidad de energía eólica que es posible convertir en energía eléctrica.

- Saber diseñar un potente generador eólico.

 

Proyecto básico

   La Figura 1 muestra que un pequeño generador eólico puede ser construido usando cualquier motor de corriente continua.

 

Figura 1 - Un motor de corriente continua también actúa como generador de electricidad
Figura 1 - Un motor de corriente continua también actúa como generador de electricidad

 

 

   Aplicando suficiente viento para moverse la hélice, la potencia liberada por el viento a través del hélice se convierte en energía eléctrica. La cantidad de energía suministrada por el sistema depende de varios factores como los siguientes:

 

- El tamaño de la hélice (o la cantidad de viento que se puede recoger)

- El tamaño, o la potencia, del motor utilizado como generador

- La cantidad de viento o velocidad del viento en el lugar donde el generador eólico funcionará

- La eficiencia del sistema al transferir el movimiento de la hélice al motor

 

Mediante la combinación de estos cuatro factores, es posible predecir el tamaño ideal del hélice para un motor de corriente continua (generador), conocer la cantidad de energía que se liberará y saber qué es ideal para la aplicación que tiene el lector mente.

   Los pequeños motores de corriente continua no requieren más de una fracción de miliwatt de energía eléctrica.

   Sin embargo, esta pequeña cantidad es suficiente para alimentar una pequeña radio experimental, encender un LED o lámpara pequeña, o cargar una batería.

   La capacidad de cargar una batería puede ser especialmente importante: Puede cargar la batería de una linterna, teléfono celular, radio, celular u otro aparato para usarlos cuando los necesite.

   Si se encuentra en un lugar donde no hay otras fuentes de energía disponibles, debe considerarse la solución de un generador eólico.

   Más adelante en este proyecto se proporciona información importante para el lector que quiere más que los pocos miliwatts de potencia generados por el proyecto básico.

 

Cómo funciona

   Como aprendiste en otros proyectos en esto sitio sobre galvanómetros y electroimanes, cuando una corriente pasa a través de un alambre, se crea un campo magnético.

   Este fenómeno se puede utilizar en varios dispositivos tales como motores, electroimanes, solenoides y relés.

   En un motor de CC, por ejemplo, el campo magnético creado por una corriente puede transformarse en movimiento real cuando interactúa con el campo de imanes (o el campo creado por otros electroimanes).

   La importante observación con respecto a los campos magnéticos que son producidos por una corriente eléctrica es que se observa un efecto inverso: Cuando un campo magnético actúa sobre un alambre, se induce una corriente.

La Figura 2 muestra que si un imán se mueve cerca de un hilo, se induce una corriente que fluye a través de un circuito externo.

Figura 2 - Una corriente es inducida por un campo variable
Figura 2 - Una corriente es inducida por un campo variable

 

 

   Observe que las líneas del campo magnético deben cortar el alambre para causar la inducción. Si el imán se mueve paralelamente al alambre, no se produce inducción.

   Sin embargo , El hecho destacado en este fenómeno es que la potencia liberada para mover el imán se convierte en energía eléctrica, liberada por una corriente a través del circuito externo. Para aumentar la cantidad de potencia inducida en este proceso, se puede usar una bobina en lugar de un solo cable.

Cuando el imán pasa cerca de la bobina, muchas vueltas se cortan al mismo tiempo y por lo tanto el proceso de inducción se magnifica, creando una mayor cantidad de energía eléctrica. Este es exactamente el principio detrás del funcionamiento de una dinamo o alternador. Una bobina gira dentro de un campo magnético creado por imanes.

Al cruzar las líneas magnéticas del campo, se genera energía eléctrica. La figura 3 muestra la estructura de una dinamo.

 

 

Figura 3 - Estructura de una dínamo
Figura 3 - Estructura de una dínamo

 

 

Un hecho importante a tener en cuenta sobre las dínamos es que no crean energía. Sólo transforman la energía mecánica en energía eléctrica. Esto significa que la cantidad de energía eléctrica producida por una dinamo es siempre menor que la cantidad de energía mecánica que se le suministra, porque ningún generador puede convertir el 100 por ciento de la potencia.

Un motor de corriente continua como un dinamo En un motor de CC pequeño, La corriente que fluye a través de las bobinas crea un campo magnético que interactúa con el campo de un imán permanente, produciendo la potencia que mueve el rotor.

Esta arquitectura puede operar también en el modo inverso. Al forzar el rotor a girar, las bobinas se moverán, cortando las líneas magnéticas del campo magnético creado por los imanes. Esto significa que la energía eléctrica se induce en las bobinas. Esta energía se puede conducir a un circuito externo, como se muestra en la Figura 4.

 

 

Figura 4 - Un motor de corriente continua como una dinamo
Figura 4 - Un motor de corriente continua como una dinamo

 

 

Pequeños motores de CC con voltajes de 3 a 12 voltios pueden conducir corrientes de hasta 200 mA según su tamaño.

    Por supuesto, la cantidad de energía producida por un motor, diseñada como una dinamo, depende de varios factores:

- La velocidad del motor

- El tamaño del motor

- La cantidad de energía mecánica que se obtiene

   La idea detrás de este proyecto es usar el viento como una fuente de energía alternativa, pero el lector también debe considerar explorar la energía de otras fuentes. Esto podría implicar el flujo de agua (un arroyo o una cascada) o un sistema mecánico (mecatrônico) controlado por su propia potencia muscular o algún animal, como se sugiere en la Figura 5.

 

Figura 5 -Convertir energía muscular en energía eléctrica
Figura 5 -Convertir energía muscular en energía eléctrica

 

 

Cómo construir

La figura 6 muestra el circuito completo para el generador eólico.

 

Figura 6 - Diagrama esquemático del generador
Figura 6 - Diagrama esquemático del generador

 

 

   El capacitor se utiliza como un depósito de energía, manteniendo la tensión de salida casi constante, incluso cuando la velocidad o la potencia del viento cambia. El diodo no permite que la corriente vuelva a descargar el motor a través de las bobinas. Cuanto más grande es el condensador, más energía puede almacenar, y cuanto más bajos sean los cambios de voltaje en la salida será cuando la velocidad del viento varíe.

   La hélice puede acoplarse directamente al motor. Si se utilizan engranajes u otros sistemas mecánicos, asegúrese de que no causen pérdidas de energía, reduciendo así la salida del generador.

   La Figura 7 muestra un sistema que utiliza una hélice de plástico pequeña que se utiliza en demostraciones eólicas como la fuente de energía de baja potencia (es decir, como sustituto del viento).

 

Figura 7 - Fuente de energía de baja potencia
Figura 7 - Fuente de energía de baja potencia

 

 

   Al montar, es necesario determinar la dirección de la rotación con relación al diodo. La rotación en una dirección hará que el polo en el diodo sea positivo.

 

   Y si la rotación está invertida, el polo en el diodo será negativo, y ninguna corriente fluirá al circuito.

 

 

M1 - Motor de CC pequeño (de 3 a 12 volts)

D1 - 1N4002 o diodo rectificador de silicio equivalente

C1 - 1,000 uF a 4,700 uF X 6 volts o más capacitor electrolítico

Ventilador, cables, bornes, soldadura, etc.

 

Pruebas y uso

   Es importante saber la cantidad de energía producida por su generador eólico. Si tiene un multímetro, es fácil probar el generador. Ajuste el multímetro para leer voltios de CC en una escala de baja tensión y conéctelo a la salida del generador, como se muestra en la Figura 8.

 

Figura 8 - Prueba del generador
Figura 8 - Prueba del generador

 

 

   La figura muestra un multímetro analógico de bajo costo, pero puede hacer la misma prueba usando un multímetro digital. Girando las palas del ventilador de cualquier fuente de viento (un pequeño ventilador eléctrico doméstico, por ejemplo), la energía generada moverá la aguja del multímetro, indicando el voltaje en la salida.

   Si no se produce tensión, invierta los cables al motor (el diodo está invertido sesgado).

   Si no tiene un multímetro, puede utilizar el LED del circuito y la lámpara mostrados en los párrafos siguientes en los circuitos de alimentación.

 

   Circuitos de potencia

   La cantidad de energía generada por el generador eólico varía a través de una amplia gama de valores. Por lo tanto, no espere alimentar dispositivos de alta potencia usando su prototipo. Con esto en mente, también se incluyen algunas sugerencias sobre proyectos de baja potencia que pueden ser alimentados por su proyecto.

 

LEDs y Lámparas

   Pequeños LEDs y lámparas de bajo voltaje (como los que se usan en una linterna) no necesitan grandes cantidades de energía para operar. La Figura 9 muestra cómo puede alimentar estos dispositivos usando un generador eólico.

 

Figura 9 - Encendido de un LED
Figura 9 - Encendido de un LED

 

 

   La lámpara es de baja potencia de 6 V X 20 a 50 mA. Se puede alimentar más de un LED desde su generador.

   Como se observará, la cantidad de luz dependerá de la velocidad de la hélice.

 

Encendido de lámparas y LEDS

L1 - Lámpara pequeña incandescente de 6 V X 50 mA

LED1 - Cualquier LED (rojo, verde, amarillo)

R1 - 1 kohms X Resistencia de 1/8 vatios (marrón, negro, rojo)

Alambres, soldadura, bornera, etc.

 

Cargador de batería

La carga de celdas níquel cadmio (NiCAD) celdas utilizando el generador eólico es mostrada en la figura 10.

 

Figura 10 – Cargador de baterías
Figura 10 – Cargador de baterías

 

 

Esta es la versión más simple de un cargador de batería. El número máximo de baterías bajo carga depende del voltaje producido por su generador.

   Para determinar cuántas baterías puede cargar al mismo tiempo, es necesario medir el voltaje de salida de su generador. Un multímetro mostrado en la sección de pruebas y uso se puede utilizar para esta tarea.

   Para cada 1,5 a 2 volts de voltaje, puede cargar una celda NiCAD de 1,2 volts, como se muestra en la Figura 11.

 

Figura 11 - Carga de varias baterías
Figura 11 - Carga de varias baterías

 

 

   Por ejemplo, si su generador produce una salida de 6 volts, puede cargar cuatro pilas AA, AAA, D o C a la vez. El tiempo para cargar las baterías también depende de la corriente que atraviesa el circuito. Utilice el multímetro para medir la corriente.

   Si su generador es lo suficientemente potente como para producir más de 9 volts, y la corriente se eleva hasta 500 mA, puede agregar la fuente de corriente constante como se describe en otro artículo de esta sección.

    Una fuente de corriente constante le ayudará a crear un mejor cargador de batería.

 

Radio Experimental

   Otro circuito simple que puede ser alimentado desde su generador eólico o incluso de fuentes de energía alternativas menos potentes es la radio experimental mostrada en la Figura 12.

 

Figura 12 - Radio experimental AM
Figura 12 - Radio experimental AM

 

 

   Incluso las células químicas y solares con tensiones en el rango de 1.0 a 6.0 volts se pueden utilizar para alimentar este circuito de muy baja corriente. De hecho, la corriente drenada por el circuito de una fuente de 2 voltios es menor que 100, uA.

   La Figura 13 muestra cómo el experimentador puede construir esta radio usando una regleta de terminales como chasis.

 

 

Figura 13 - Uso de un puente de terminales para el montaje
Figura 13 - Uso de un puente de terminales para el montaje

 

 

   Por supuesto, la radio se puede montar utilizando otras técnicas, tales como el uso de una placa de circuito impreso (PCB) o placa sin soldadura.

   Sólo un transistor se utiliza como amplificador de señal en esta radio. Por lo tanto, la radio no es demasiado sensible y necesita una antena larga para recoger estaciones locales.

   La antena puede hacerse con una pieza de alambre largo, de 5 a 20 metros de largo. La conexión a tierra es importante y puede hacerse a través de cualquier cuerpo metálico en contacto con la tierra o incluso con su cuerpo. Incluso sosteniendo el clip de cocodrilo de tierra entre los dedos dará buenos resultados. ¡Recuerde nunca utilizar la radio durante una tormenta eléctrica!

   L1 se forma utilizando 40 a 60 espiras de alambre esmaltado 28 AWG en un núcleo de ferrita con una longitud de 15 a 20 centímetros y un diámetro de 1 a 1,5 centímetros.

   El capacitor variable puede tomarse de cualquier radio AM antigua.

   El transductor está hecho de un teléfono piezoeléctrico de alta impedancia, como los que se encuentran en teléfonos, zumbadores y otros aparatos. Tenga cuidado de no utilizar un tipo de baja impedancia, ya que no funcionará en este proyecto.

 

 

Radio Experimental

Q1 - BC548 o cualquier transistor de propósito general negativo-positivo-negativo (NPN)

D1 - 1N34 o 1N60 o cualquier diodo de germanio

R1 - 4,7 M ohms Resistencia de 1/8 vatios (amarillo, violeta, verde)

R2 - 47 k ohm - Resistencia de 1/8 vatios (amarillo, violeta, naranja)

C1 - 0,047 uF (47 nF) capacitor de cerámica o poliéster

C2 - 0,1 uF (100 nF) capacitor de cerámica o poliéster

X1 - Transductor piezoeléctrico

L1 - Bobina de antena (ver texto)

CV - Capacitor variable (ver texto)

A, G - Antena y conexiones a tierra

Núcleo de ferrita, regleta de terminales, antena, clip de cocodrilo, alambres, soldadura, perilla para el capacitor variable, etc.

 

Luz Automática

   El circuito mostrado en la Figura 14 activa una pequeña lámpara al anochecer y la apaga cuando sale el sol.

 

Figura 14 - Luz automática
Figura 14 - Luz automática

 

 

   El viento en el generador de eólico carga la batería. Cuando se corta la luz en el sensor, las baterías alimentan la lámpara. La lámpara permanecerá encendida hasta que las baterías se descarguen o el sol vuelva a salir.

   Si el viento no se detiene, la batería continuará en el proceso de carga. El sensor debe instalarse dentro de un tubo para que reciba sólo la luz ambiente. P1 le permite ajustar el nivel ideal de luz que encenderá y apagará la luz.

 

Luz automática

Q1 - BD135 o un transistor NPN de potencia media equivalente

D1 -1N4002 diodo rectificador de silicio

P1 - 1 M ohm - potenciómetro trimmer

R1 - 10 ohms X Resistencia de 1 vatio (marrón, negro, negro)

R2 - 10 k ohms Resistencia de 1/8 vatios (marrón, negro, naranja)

L1 - Lámpara de 6 voltios X 50 ó 100 mA

LDR - Resistor dependiente de la luz (cualquier tipo)

B1 - 4 pilas nicad recargables AA o D

X1 - Generador Eólico

Soporte para celdas, caja de plástico, terminal, alambres, soldadura, etc.

 

Anemómetro

  Debido a que la tensión producida por el generador eólico es proporcional a la velocidad del viento, se puede utilizar este proyecto como un simple anemómetro, un dispositivo utilizado para medir la velocidad del viento. La Figura 15 muestra cómo puede usar su generador eólico como un anemómetro.

 

 

Figura 15 - Un anemómetro
Figura 15 - Un anemómetro

 

 

   Puede modificar el sistema para medir el viento que está alimentando el motor utilizando pequeñas tazas de papel (consulte la Figura 16).

 

 

Figura 16 – Cosechando el viento con tazas
Figura 16 – Cosechando el viento con tazas

 

 

   El medidor es un galvanómetro analógico. P1 se ajusta de acuerdo con una referencia para la velocidad del viento. La escala de Beaufort, dada en la tabla siguiente, le permite determinar la velocidad aproximada del viento por sus efectos.

 

 


 

 

 

 

Anemómetro

D1 - 1N4002 diodo rectificador de silicio

C1 - 100 uF - Capacitor electrolítico de 16 voltios

M1 - 0 a 200 uA o 0 a 1 mA medidor analógico

R1 - 4.7 k ohm - Resistencia de 1/8 vatios (amarillo, violeta, rojo)

P1 - 100 k ohm - potenciómetro del trimmer

Caja de plástico, alambres, soldadura, etc.

 

Temas cruzados

   Las fuentes de energía alternativas se estudian actualmente en muchas escuelas, comenzando en los cursos de ciencias de la escuela primaria, hasta la física y la geografía en el nivel universitario.

   Tanto las versiones más básicas como las más complejas (como la que tiene un regulador de voltaje) del generador de cólicos pueden usarse al experimentar con una variedad de fuentes alternativas de energía. Se puede utilizar para ilustrar los siguientes temas de cruce:

- Mostrar cómo la potencia del viento puede convertirse en energía eléctrica

- Estudiar la cantidad de energía que puede ser generada por una fuente particular

- Para mostrar cómo funcionan los dínamos

- Comparar una fuente de energía con otras fuentes en términos de contaminación, eficiencia, etc.

 

Otros Circuitos e Ideas

   Como se explicó anteriormente, cuando se construyen generadores eólicos no se debe limitar a motores de corriente continua pequeños solamente. Otros generadores con mayor rendimiento en conversión de energía pueden ser alimentados por energía eólica.

   En particular, sugerimos una dínamo de bicicleta que viene en una variedad de estilos, comenzando con las unidades no reguladas que están destinadas a alimentar sólo lámparas a las sofisticadas unidades que tienen circuitos electrónicos para cargar las baterías de los teléfonos celulares.

   Estos dinamos de la bicicleta necesitan más velocidad y energía ser utilizados pero pueden generar mucha más energía, 6 a 15 voltios con una corriente de hasta 2 amperios en algunos casos. Son una buena solución para el genio del mal que quiere un reto mayor que los que se dan aquí.

 

Regulador de tensión

    Las aplicaciones electrónicas sensibles pueden dañarse si son alimentadas por una fuente que presenta cambios de tensión, y esto es exactamente lo que nuestro generador eólico puede causar.

   Las radios, calculadoras y relojes son ejemplos de dispositivos sensibles al tensión. Para alimentar estos dispositivos, es importante agregar un regulador de tensión. La figura 18 muestra dos reguladores de tensión.

 

Figura 18 - Reguladores de tensión
Figura 18 - Reguladores de tensión

 

 

   El primer circuito es una versión de baja potencia recomendada para su uso con dispositivos que tiren menos de 5 mA.

    El segundo circuito se puede utilizar con dispositivos de hasta 1 amperio.

 

 

  Inversor de alto voltaje

   Si su generador eólico es lo suficientemente potente como para generar tensiones entre 5 y 12 volts con corrientes superiores a 100 mA, puede alimentar una lámpara fluorescente utilizando un inversor.

   Un inversor, tal como el mostrado en la figura 19, puede convertir tensiones continuas bajas en voltajes alternos altos.

 

Figura 19 - Inversor de alta tensión
Figura 19 - Inversor de alta tensión

 

 

    La alta tensión, cuando se aplica a una lámpara fluorescente, puede ionizar el gas interior para hacer que brille. El inversor de lámpara fluorescente simple que se muestra en la figura se puede utilizar con lámparas de 5 a 20 watts, incluso los que ya no funcionan cuando se alimentan desde la línea de alimentación de CA.

   La lámpara no brillará con el brillo original, pero tendrá un brillo reducido que depende de la cantidad de energía suministrada por el generador eólico.

   El transformador puede ser cualquier transformador de potencia con una bobina primaria de 117 VAC y una bobina secundaria de 5 o 6 volts de derivación central (CT), clasificada para corrientes en la gama de 50 a 300 mA. El transistor debe montarse en un disipador de calor y P1 ajusta la frecuencia para obtener el mejor rendimiento que coincida con las características del transformador con el generador.

 

   ¡Precaución! No intente alimentar ningún dispositivo electrónico con este circuito. El voltaje de salida no es una onda sinusoidal y la frecuencia no es de 60 Hz.

 

Inversor

   Q1 - BD135 o un transistor de potencia media NPN equivalente

   T1 - Transformador (ver texto)

   R1 - 1 k ohm X Resistencia 1/8 - Watt (marrón, negro, rojo)

   P1 - Potenciómetro del trimmer de 10 k ohms

   C1 - 0,047 uF de capacitor de cerámica o poliéster

   C2 - 0,1 uF de capacitor de cerámica o poliéster

   L1 -Lámpara fluorescente de 5 a 20 vatios

   PCB o puente de terminales, disipador de calor para el transistor, caja de plástico, cables, soldadura, etc.

 

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