Energía eólica

Hoy en día las energías alternativas y las energías renovables están en continua expansión. Son la mejor alternativa a las energías más contaminantes como la nuclear o los combustibles fósiles, y cada vez son más eficientes y ofrecen mejores resultados. La energía eólica es una de las formas más extendidas de energía renovable.

La energía eólica es la forma de obtener energía aprovechando el movimiento del viento. Esta transformación se realiza gracias a los aerogeneradores, que son capaces de transformar la energía cinética de las corrientes de aire en electricidad. La energía eólica puede considerarse una consecuencia de la energía solar, puesto que el calentamiento desigual de la atmósfera es el que provoca de forma indirecta el movimiento del aire.

Maqueta de barco vikingoHistóricamente, la fuerza del viento se ha utilizado desde el inicio de las primeras civilizaciones. El uso más extendido lo encontramos en la navegación, en donde se llevan usando las velas para desplazar barcos desde hace 7.000 años. Hasta que se perfeccionaron las turbinas de vapor a finales del siglo XIX, la gran mayoría de barcos empleaban el viento como fuerza motriz.

Otra forma de aprovechar la fuerza del viento lo encontramos en los molinos de viento. Los primeros molinos de los que se tiene constancia fueron construidos en Irán y Afganistán en el siglo VII. Se trataba de molinos que tenían un eje vertical que rotaba con la ayuda de unas velas rectangulares fijas al eje.

En el siglo XII aparecieron los primeros molinos de Europa en Francia e Inglaterra. Más tarde se extendieron por todo el continente. Se trataba de torres de piedra o madera que soportaban un piso rotatorio de madera en su parte superior. De este piso superior parten las aspas de tela o madera con un eje horizontal, y en su interior se encuentra el mecanismo que envía el giro del eje a las ruedas de moler del interior de la torre. Hoy en día todavía se pueden encontrar en Holanda, Francia y España.

Otro tipo de molino de viento, más sencillo, son los molinos de bombeo construidos a base de vigas y con aspas metálicas. Son construcciones bastante reconocibles por haber aparecido en multitud de películas del Oeste americano. El movimiento de las aspas acciona una bomba de bombeo de agua, que solía servir para regar los campos y abrevaderos.

Sobre 1980 se desarrollaron las primeras turbinas por los fabricantes Kuriant, Vestas, Nordtank, y Bonus. Aquellas turbinas eran pequeñas para los estándares actuales, con capacidades de 20 a 30 kW cada una. Desde entonces, la talla de las turbinas ha crecido enormemente, y la producción se ha expandido a muchos países.

En la actualidad, los parques eólicos forman parte de nuestra vida diaria. El siguiente video muestra varias etapas del proceso de construcción de un parque eólico construido en el mar. Se trata en concreto de parque “Princes Amalia” (Q7), situado en la costa de The Netherlands, cerca de la ciudad de IJmuiden. Con 60 turbinas de 2MW cada una, este parque tiene una capacidad de 120 MW, y fue construido conjuntamente entre Econcern y Eneco.

El Enercon E-126 era, en el 2009, la primera turbina eólica capaz de generar 6 MW de potencia. Este gigante situado en Rysumer Nacken, al noroeste de Alemania, tiene un rotor de 126 m de diámetro y el eje de giro está situado a 135 m. ¡Tiene una altura máxima de casi 200 m!

Experimento de energía eólica con LEGO Education
En nuestro primer experimento relacionado con energías eólicas queremos poner a prueba la capacidad de transmisión de energía de un sistema dotado de 2 juegos de palas, las mismas que se incluyen en el conjunto de energías renovables 9688. El primero de estos juegos está conectado a un motor y es el que funciona como generador, mientras que el segundo juego de palas gira libremente afectado por la corriente de aire generada por el primer sistema.

IMG_2981

En la imagen anterior podemos ver la presencia de un servo motor, que es el que va a hacer girar las aspas más cercanas al NXT, que harán las veces de ventilador. Para analizar la transmisión de energías mediremos las velocidades de giro de las aspas. Con ese objetivo hemos creado un disco con dos colores diferenciados, cuya transición deberá medir un sensor de luminosidad. Cada una de las aspas tiene uno de estos discos y uno de estos sensores. Los dos sensores están conectados al NXT, que será el encargado de medir las vueltas de las aspas como transiciones entre el color azul y blanco del disco. Una transición por vuelta realizada.

IMG_2983

Estamos empleando un sensor de luz para contar el número de vueltas que realiza cada juego de palas, aunque esto es estrictamente necesario en el molino que gira libre. Del juego de palas movido por el motor el dato es inmediato y podría no ser necesario este segundo sensor, ya que podemos conocer el número de vueltas que ha girado el motor, porque programamos su giro. En cualquier caso este método nos permite garantizar que las masas de los dos sistemas son las mismas, y que las medidas son exactamente equivalentes.

Imagen del modelo en movimiento:

IMG_2984

Vemos ahora cómo realizamos esa captura de datos necesaria para medir la capacidad de transferencia del sistema. Este es el programa que controla el experimento

Programa_Cuenta_Vueltas

Detalle del bloque Muestra Vueltas

Detalle_Muestra_Vueltas

Este bloque tiene la función de almacenar en dos contadores independientes el número de vueltas que ha dado cada uno de los molinos, además sabiendo que entre el motor y las aspas hay una relación de 1 a 5, haciendo uso del sensor de rotación integrado en el motor podremos saber el número de vueltas reales que han dado las aspas.
De esta manera podemos comprobar la fiabilidad del sistema de cuenta vueltas implementado con los sensores de luz.

A continuación un ejemplo de la salida por pantalla:

Cuenta_vueltas

Detalle del bloque Archivo Vueltas

Detalle_Archivo_Tiempos

Este bloque se encarga de almacenar en 2 ficheros de texto el tiempo en milisegundos que hay entre cada vuelta (se guarda guarda un valor de tiempo por cada vuelta realizada).

Tras una medición de 15 segundos estos son los resultados obtenidos:

  • Relación entre tiempo y vueltaRepresentación de los datos obtenidos directamente de los ficheros generados por el NXT. En esta gráfica se relaciona cada vuelta con el momento en el tiempo en la cual se ha contabilizado.

    Gráfica Vuelta-tiempo

    La primera gráfica muestra que la eficiencia del sistema es altísima. En el eje x tenemos el tiempo en ms, mientras que el eje y representa las vueltas que realiza cada sistema: en azul la motorizada y en amarillo la que recibe la energía. Existe obviamente un retardo entre ellos, que es el derivado de la inercia del sistema secundario, pero lo importante es que la pendiente de las dos gráficas es la misma, es decir, ¡se consigue la misma velocidad de giro en el sistema esclavo!

  • Velocidad media de giro (Espacio/tiempo)Representación de la velocidad media de ambas palas, calculado dividiendo la vuelta contabilizada entre el momento en el tiempo en el que se detectó. Observamos como, con el paso del tiempo ambas gráficas tienden hacia un mismo valor, o lo que es lo mismo, la velocidad de ambas palas tiende a igualarse.

    Gráfica V.Media

    La relación asintótica entre ambas curvas se deriva del retraso inicial de las aspas secundarias: a pesar de que la gráfica anterior muestra una misma pendiente en las dos gráficas, el número de vueltas que recorre el sistema secundario siempre sufre retraso. El video inferior nos muestra la inercia que tiene el sistema debido al giro: la misma inercia que retrasa el arranque del sistema secundario es la que mantiene el giro, al final del experimento, cuando detenemos el motor.

  • Velocidad instantánea de giroPara esta gráfica tendremos que hacer algunos cálculos, ya que nos interesa la velocidad en cada instante. La velocidad instantánea no la podemos conocer, pero si podemos aproximar su valor. Para calcular esta velocidad instantánea tendremos que hacer la siguiente operación:

    1000*[A(x)-A(x-1)]/[C(y)-C(y-1)]

  • 1000* – escalamos el valor que aparece en pantalla
  • [A(x)-A(x-1)] – Valor de vuelta actual menos el anterior (es constante e igual a 1)
  • [C(y)-C(y-1)] – Valor del tiempo actual menos valor del tiempo anteriorGráfica V.Instantánea

    Como se puede observar, están representados 3 conjuntos de valores, rojo y azul para las mediciones de los sensores de los puertos 3 y 1 respectivamente, y en amarillo el valor promediado de los valores del segundo sensor. Hemos realizado para esta última gráfica un filtro de paso bajo tomando 4 muestras consecutivas para hacer un promedio de los valores. Una vez hecho esto, podemos comprobar que los picos de las muestras en rojo no llegan a desaparecer pero sí disminuyen considerablemente.

    Viendo el fichero se puede comprobar que en la duración de las vueltas en el sensor del puerto 1 (conjunto de palas que gira libre) hay una diferencia de aproximadamente 115 ms, sin embargo, en dos casos esa diferencia aumenta hasta situarse en torno a los 150 ms (¿posible medida errónea?), lo que provoca estos picos de velocidad. Interpretamos estos picos como muestras erróneas porque carecen de sentido.

    Detalle picos

    Para más información sobre los picos, os recomendamos examinar el fichero de muestras adjunto Gráfica sensores luz (formato Open Office).

    Por último, un vídeo del sistema en funcionamiento.

    Esperamos que os haya gustado.

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