Los aeromotores y su aplicación en la bicicleta

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.