Aeromotor Bipala. Su adaptación a la rueda de la bicicleta.

Aeromotor bipala. Su adaptación a la rueda de la bicicleta.

Definición:

La Real Academia Española en el diccionario de la lengua española define el aeromotor como un motor accionado por aire en movimiento. La energía complementaria disponible se utiliza en aplicaciones mecánicas o como aerogeneradores de energía eléctrica.

Historia:

Las máquinas del viento han sido utilizadas desde la antigüedad mediante velas en embarcaciones en el Nilo o como molinos de trigo siglos antes de nuestra era. Utilizaban el viento, el movimiento del aire calentado por el sol cuando asciende y es ocupado por aire frío más pesado procedente de latitudes superiores de la atmósfera del mar o de los ríos.

Figura 1.- Máquina del viento persa. Energía mecánica para moler cereales.

Tipos de aeromotores:

Los aeromotores se clasifican según la posición de su eje de rotación en relación con la dirección del viento, en:

1) Aeromotores de eje horizontal.

Con el eje de giro paralelo a la dirección del viento.

Con el eje del rotor perpendicular a la dirección del viento.

2) Aeromotores de eje vertical.

3) Aeromotores que utilizan el desplazamiento móvil.

Aeromotores en la bicicleta:

Dado que nos interesa el estudio de los aeromotores mecánicos adaptados al eje a la rueda, nos centraremos en los aeromotores de eje horizontal.

En nuestro caso la dirección de nuestro eje de rotación respecto al viento será variable y oblicua, debido al cambio de la incidencia del viento y de nuestra propia dirección de marcha.

Si nos centrados en la variabilidad de nuestra velocidad, hemos de considerar las características del aeromotor de dos aspas o bipala, con unas características muy peculiares, dado que no estará fijado sobre al terreno, será móvil a velocidades variables, así como su rendimiento ante la incidencia del viento en ángulos variables de incidencia lateral.

Nos encontramos con dos inconvenientes: por una parte, la adaptación fija a la rueda la de la bicicleta no permite incorporar una cola de veleta y la redirección del rotor; y por otra, el tamaño estandar de la rueda limita la potencia eólica del rotor.

La adaptación de nuestro aeromotor a la rueda de una bicicleta convencional tiene por tanto algunas diferencias significativas con los molinos clásicos:

1.- Se trata de un pequeño aeromotor de dos palas, extendidas de morfología helicoidal, con apertura central en S, y con un tamaño limitado al círculo de nuestra propia rueda.

2.- El aeromotor se desplazará con una velocidad creciente, rindiendo de forma significativa a partir de velocidades superiores a 25km/h. con viento lateral.

3.- Su eficiencia será variable, con buen rendimiento en las fases de aceleración, según la dirección y la persistencia del viento para ángulos de incidencia entre 20º y 45º, y velocidades de viento aparente en un rango que oscila entre 25 y 50km/h.

4.- Su eficiencia es penalizada en presencia de vientos racheados y variables.

La elección de un aeromotor de dos palas o álabes:

Según el número de palas los aeromotores pueden construirse de una sola pala o monopala, de dos palas o bipala, tripala y multipalas. Su eficacia es inversamente proporcional al número de palas del rotor, y el rendimiento relaciona con la eficiencia respecto a la velocidad del viento.

El límite de Betz:

Las leyes de la física muestran que no se pueda extraer toda la potencia disponible en el viento a su paso por el rotor de un aerogenerador. El viento a su paso se frena, saliendo del mismo con una velocidad menor que con la que ha entrado.

La máxima potencia eólica aprovechada viene definida por el Límite de Betz, de tal manera que una turbina eólica puede convertir en energía mecánica como máximo un 59,26 % de la energía cinética del viento que incide sobre ella. En la práctica se aprovecha un porcentaje próximo al 40% de la potencia eólica disponible.

Figura 2. Coeficiente de potencia de los aeromotores bipala

El rotor de una pala muestra su eficiencia en altas velocidades de flujo aéreo; una aproximación al mismo estaría representado por la rueda de disco.

El aeromotor bipala muestra utilidad en rangos de viento habituales en el ciclismo en carretera y pista; presenta un rendimiento óptimo para velocidades del viento  entre 7 y 14 metros/sg.;  dado que 1m/sg. equivale a 3´6Km/h., supondría trabajar con un viento entre 25´2 y 50´4Km/h., situaciones habituales en la práctica del ciclismo en carretera y pista.

La posición del eje de nuestro aeromotor adaptado a la bicicleta, adquiere una posición de predominio perpendicular y oblicua respecto al flujo del viento; dirección del viento incide habitualmente entre 20º y 45º en velocidades superiores a 25Km/h., por lo cual el coeficiente de potencia teórico del rotor quedará reducido al 30% de su capacidad energética mecánica máxima, con rendimientos medios calculados útiles entre 30 a 60watios/sg.

Otra característica necesaria para que el rendimiento del aeromotor fuera rentable es que la incidencia del viento se mantenga constante sobre el ciclo rotor, dado que su constante variabilidad tendrá una influencia negativa sobre el mismo.

Figura 3.- Límites de tolerancia de seguridad para el aeromotor bipala

Intensidad y dirección del viento:

Resulta de interés en el manejo de un aeromotor adaptado a la rueda el contar con algún elemento que nos permita conocer la intensidad y dirección del viento para activar nuestro rotor y adaptarlo a nuestras necesidades.

Podemos utilizar un sencillo indicador de dirección del viento, con unas pequeñas cintas sobre un vástago en nuestro manillar. Podremos conocer en cada momento con un simple golpe de vista la intensidad aproximada del viento y su dirección instantánea respecto de nuestra trayectoria y a medida que aumentamos la velocidad.

Figura 4- Cinta indicadora de la dirección e intensidad del viento

Eficacia en aceleración:

Cuando la velocidad aparente (velocidad del viento + velocidad del ciclista) es igual o superior a 25Km/h. el flujo de viento que choca contra el ciclista pasa de laminar a turbulento con un notable aumento de la resistencia aerodinámica y comienzo de la actividad complementaria de nuestro aeromotor bipala.

En éste momento, un incremento de cadencia pulsátil (>90/minuto), con viento lateral constante, permite la entrada de flujo suficiente en el rotor, siendo capaz de desarrollar impulsos de aceleración tras  15 a 20 segundos después de realizar nuestro torque en aceleración. 

La energía complementaria que somos capaces de generar y el impulso en aceleración es muy superior a la que ofrece una rueda sin aeromotor, pudiendo desarrollar entre 50 a 60 watios/sg.

Eficacia en velocidad lanzada:

Rendimiento teórico, mecánico y eólico del aeromotor bipala adaptado a la rueda:

Ejemplo de rendimiento en velocidad lanzada a 43Km/h., con una incidencia del viento a 30º oblicuo derecho.

El rendimiento real calculado para un aeromotor bipala adaptado a la rueda trasera para un ángulo de entrada a 30º supondría una pérdida de potencia mecánica real, quedando entre 30 a 40 w/sg., representando una ayuda eficaz para el mantenimiento de una velocidad con alta resistencia aerodinámica y notable coste energético.

Figura 5.- Dinámica de un aeromotor bipala sobre una rueda Mavic.

No es recomendable su adaptación en  la rueda delantera, dado que ante incidencias variables de viento intenso afecta la estabilidad de la dirección y la seguridad del ciclista. Sin embargo, su adaptación en la rueda trasera es segura incluso ante vientos intensos, mejorando la trayectoria y la estabilidad en las trazadas.

La utilidad del aeromotor bipala:

a.- El conocimiento de la intensidad y el ángulo de incidencia del viento nos permite adaptar el funcionamiento y la eficacia del aeromotor bipala adaptado a la bicicleta, mejorando la eficacia del ciclista cuando la  velocidad aparente oscila entre 25 y 50km/h.

b.- Mayor eficacia mecánica se obtiene utilizando ciclos de aceleración con cadencia de pedaleo pulsátil (>90/minuto), cuando el ángulo de incidencia del viento oscila entre 20º y 45º.

c.- Los resultados se obtienen transcurridos entre 15” a 20” después de la fase de aumento de cadencia de pedaleo, permitiendo un ajuste de nuestro ritmo y desarrollos más exigentes tras la fase de aceleración.

d.- La morfología específica de las aspas extendidas causa una alineación de las líneas de flujo con derivación posterior del viento en el plano vertical, disminuyendo el ángulo relativo de incidencia del viento y facilitando el avance. Consigue así mismo una mejora en la estabilidad en las trazadas y un mayor confort de marcha.

e.- El aeromotor bipala es seguro, según mi experiencia personal habiéndose utilizado en distintas rutas y condiciones como cicloturista aficionado entre los años 2017 y 2019.

f.- Entre sus efectos negativos señalaremos que debemos aceptar un leve aumento de resistencia en la arrancada desde la posición de parada, sufriendo una penalización dinámica en presencia de vientos variables y racheados.

Figura 6.- Aeromotor bipala montado sobre una rueda Mavic Aksium.

Figura 7.- Detalle de las aspas helicoidales. Rueda Mavic Aksium.

“Un modelo de utilidad para el ciclista”

Gabriel Saitua, Getxo 2019.