Los aeromotores y su adaptación a la rueda
de la bicicleta.
Proyecto ciclo rotor eólico: “aeromotor bipala y rueda helicoidal”.
Gabriel Saitua. 2020
1.- Los principios básicos de los aeromotores.
La cantidad de energía que
contiene el viento antes de pasar por un rotor de aspas de un aerogenerador
depende fundamentalmente de los siguientes parámetros: la
velocidad del viento, el tiempo de persistencia del viento en una misma
dirección, la densidad del aire y el área de barrido del rotor de aspas.
Para que un rotor sea capaz de
extraer energía, requiere que el viento sea frenado disminuyendo su velocidad
en la salida del rotor; cuando menor es el número de aspas, mayor será su
eficiencia en condiciones de vientos con altas velocidades.
La energía cinética de una masa
de aire que se desplaza viene determinada por la denominada “ley del cubo”,
dado que la energía cinética generada aumenta con el cubo de la velocidad del
flujo aéreo, cuando éste atraviesa toda la superficie del rotor (πr2).
Para calcular la potencia
mecánica máxima aprovechable del viento se estima la densidad del aire, que corresponde a la relación entre su masa y su volumen. Una densidad de 1,225 kg/m3. corresponde a un aire seco, a una presión atmosférica estándar a nivel del
mar y una temperatura de 15 grados centígrados (López Romero JJ, Cerón García FJ, 2008).
No obstante hemos de tener en cuenta que la densidad del aire disminuye con la humedad, la temperatura y la altitud, influyendo en la energía cinética que ofrece el viento.
Energía eólica extraíble por el aeromotor:
P = 1/2 x p x S x V3
Donde:
P =
Potencia en vatios (W)
p =
Densidad del aire (kg/m3)
S =
Superficie del rotor (m2)
V =
Velocidad del viento (m/s). Equivalencia: 1m/sg.=3.6km/h.
2.- Los aeromotores de eje horizontal y sus
aplicaciones según el número de palas
A.-
Aeromotores multipalas lentos. A propósito de los aeromotores salineros
canarios.
Los aeromotores canarios de las
salinas son elementos del patrimonio industrial de la arquitectura tradicional
que pertenecen al pasado y en desuso para la sociedad actual.
Salinero de Yaiza. Canarias.
Los molinos de viento salineros
canarios son aeromotores multipalas, que han sido utilizados en las salinas
para la elevación del agua del mar; trabajan con velocidades bajas del viento, que
oscilan entre 1m/s. y 6m/s. (3´6Km/h. a 21´6Km/h.) y eficacia óptima a 4m/sg. (14´4km/h.). Cuando la velocidad del
viento es inferior a 1m/sg., los rotores de aspas de los aeromotores apenas se
mueven y cuando excede de 6m/sg. hay que reducir la velocidad del rotor
recogiendo velas de las aspas para evitar la rotura de los rotores.
Los diámetros de los rotores en
los molinos salineros más utilizados oscilan entre los 2,50 metros y 5,00
metros. Se trata de rotores multipalas, siendo por tanto máquinas eólicas
lentas, adaptados a velocidades relativamente bajas de viento. Con vientos de 4m/sg., para un rotor de 2´5m., la potencia teórica sería de
98watios y un cociente de potencia como rotor multipala del 30%.
En la actualidad existe un
proyecto que propone su reconversión para utilizarlos en la producción de
energía eléctrica comunitaria. Víctor Manuel Cabrera García, Doctor arquitecto
en restauración y rehabilitación arquitectónica por la ULPGC, propone recuperar
el funcionamiento de estos aeromotores dotándolos de un nuevo uso que consiste
en producir energía eléctrica para dar suministro a la iluminación artificial,
posibilitando crear nuevas rutas para el disfrute del paisaje nocturno en las
salinas mediante el contraste de las tonalidades de las lámparas.
Aprovechamiento
energético de los aeromotores en las salinas de Canarias. Víctor Manuel Cabrera
García, Diciembre 2018. http://www.tecnicaindustrial.es/TIFrontal/a-10118-aprovechamiento-energetico-aeromotores-salinas-canarias.aspx
B.- Aeromotores
bipala rápidos. Su adaptación a la rueda de la
bicicleta:
Nuestro proyecto consiste en el
desarrollo de un pequeño aeromotor bipala adaptado a una rueda de bicicleta de tan
sólo 0´7m. de diámetro, que incorpora un rotor cuyo diámetro es de 0´6m.; se
trata de un rotor que acompaña a la bicicleta con velocidades variables y habitualmente
contra el viento, a medida que aumentamos la velocidad >25km/h., entrando en
zona de flujo turbulento.
El efecto del viento sobre la
unidad formada por el ciclista y su bicicleta se relaciona con la velocidad
aparente; la velocidad aparente es el resultado vectorial de nuestra propia
velocidad de marcha + la velocidad de viento, que habitualmente la recibimos en
contra con ángulos de incidencia variables.
En condiciones normales la
velocidad aparente en la práctica del ciclismo, tanto en carretera como en
pista, se encuentran por encima de 5m/sg.(18Km/h.) y en muchas ocasionas superan
los 10m/sg.(36km/h).
Para utilizar la energía del
viento a nuestro favor, necesitaremos un aeromotor que sea eficiente y seguro en
altas velocidades de viento, por lo que usaremos un aeromotor de una o de dos
palas.
En nuestro proyecto elegimos un aeromotor bipala, tras comprobar la inestabilidad inercial del
aeromotor monopala aplicado a la rueda. La utilidad del aeromotor bipala ha
sido comprobada en la rueda trasera de la bicicleta con éxito, pero no ha mostrado
utilidad en la rueda delantera, dada la influencia negativa que genera ante los
vientos cruzados sobre la estabilidad de la dirección.
Elegimos el aeromotor bipala porque
es estable y trabaja con eficacia en velocidades que oscilan entre 7 y 14m/sg.
(25´2Km/h. y 50´4Km/h.), siendo un rango de velocidades habituales en la
práctica del ciclismo en carretera y en pista.
Potencia
del aeromotor adaptado a la rueda de bicicleta
El cálculo de potencia de nuestro
aeromotor aplicando la fórmula, sería:
P = 1/2 x p x S x V3
P:
1/2x1´225x3´1416x0´3x0´3xvelocidad del viento al cubo.
Para
un viento de 5m/sg.(18Km/h.): 21´64 watios.
Para
un viento de 10m/sg.(36Km/h.): 173,3 watios.
Aeromotor bipala. Adaptación sobre una Rueda Felt.
Al tratarse de un aeromotor bipala, su coeficiente de
potencia sería del 46%; nuestro aeromotor bipala adaptado a la rueda trasera obtendría
su mayor eficacia cuando la velocidad del viento aparente se encuentra próximo
a 10m/sg.(36Km/h.), siendo capaz de rendir 79´7watios de potencia.
Sin embargo para alcanzar ésta
eficacia requiere una persistencia del viento en la misma dirección y un
ángulo de incidencia del viento constante atravesando con fluidez el rotor; estas
circunstancias tienen lugar cuando el vector de incidencia del viento alcanza
un ángulo de ataque próximo a los 25º respecto a nuestra trayectoria.
En la práctica la potencia real del aeromotor es muy variable, pero en su conjunto presenta efectos favorables, estimando una utilidad real que oscila entre entre 30 y 50watios, dependiendo de las condiciones: velocidad del ciclista, velocidad del viento,
ángulo de incidencia del viento y tiempo de persistencia del viento.
Como penalización debemos asumir que precisa de un leve impulso complementario en el inicio de las fases de aceleración desde la posición de
parado, hecho que no resulta significativo en las aceleraciones que se producen en velocidad lanzada.
Otras
características complementarias del rotor: El diseño específico de sus palas.
Su apertura central en “S” y el diseño helicoidal de sus
palas le permite cambiar la dirección del flujo aéreo para mejorar la energía
cinética tangencial con impulsos antero inferiores y disminuir el ángulo de
salida posterior del flujo resultante, elementos que facilitan la trazada y mejoran
el confort de la marcha.
Recordamos
la opinión de un triatleta. Asier Uría Cuenca, Triatleta. 2019.
Prueba en solitario sobre un recorrido de entrenamiento
habitual y conocido por el deportista de ida y vuelta entre Getxo y Gernika,
Bizkaia, sobre una distancia de 76Km., en un
trazado mixto de carretera y montaña.
La prueba tuvo lugar en un día de invierno con
temperatura de 18ºc. y viento moderado, nivel 4 en la escala de Beaufort, que
valora como 0 (calma total) y 12 (huracán); el viento nivel 4 es capaz de
levantar polvo, papeles, y agitar las copas de los árboles; se considera como
“bonancible o brisa moderada”, siendo equivalente a una velocidad entre 25 y
28km/h.
Rodando a una velocidad media de 25km/h., con viento en
contra de nivel 4, de 25km/h. tuvo que superar una notable resistencia
aerodinámica, equivalente a circular con una velocidad de 50km/h., y una
resistencia aerodinámica equivalente a 5Kg.
- Velocidad
(Km/h.) 20 30 40
50
- Resistencia
aerodinámica (Kg.)
0´8 1´8 3´2
5
Se trata de condiciones ambientales en las cuales el
ciclo rotor eólico muestra sus cualidades cinemáticas, en las cuales la opinión
y sensaciones del ciclista deben tenerse en consideración.
Los comentarios de Asier Uría fueron los siguientes:
- Durante
la prueba la rueda adaptada mostró un buen comportamiento en el mantenimiento
de la velocidad en llano y viento lateral moderado.
- Cuando
la bicicleta alcanza su velocidad de crucero, se percibe una sensación de ayuda
interesante.
- Sensación
de seguridad en bajadas y curvas.
- Con
algo de penalización en subidas.
El resultado global es de “buenas
sensaciones” finalizando
la prueba con “un buen sabor de boca”. La experiencia sugiere que una rueda
con esta estructura dinámica, en tubular y carbono sería una buena opción de
futuro.
Porqué encontró
Asier estos beneficios?
1.- Porque utilizó un aeromotor bipala en
condiciones climáticas de eficiencia óptima.
2.- Porque el diseño específico de sus
palas, la transforma en una rueda helicoidal, optimizando la energía de
aceleración tangencial, la estabilidad en las trazadas y el confort de marcha.
Gabriel Saitua. Getxo 2020.
