Método aerodinámico de la turbina de Arquímedes

Método aerodinámico de la turbina de Arquímedes: LA TURBINA DE ARQUIMEDES: Lo primero que me preguntan es ¿Cómo?. Cómo trabaja, seguido de cómo se lleva a cabo. Entonces, una turbina está conformada de varias piezas. Un rotor que convierte el movimiento lineal del viento en movimiento rotatorio, un mecanismo de orientación que tiene como objetivo dejar al rotor en la posición más favorable, el generador que convierte la energía cinética en electricidad y cierto número de sistemas de seguridad. En este trabajo, me referiré a cada uno de estos temas por separado. La mayor innovación consiste en la la forma del rotor. Por lo tanto, vamos a referirnos ampliamente a este punto. EL DISEÑO: El rotor La forma en que las aspas de Arquímedes trabajan, se asemeja a un familiar pero aun así desconocido objeto. Su forma te hace sentir como si ya existiera desde hace siglos, pero también como si viniera de un futuro distante. Podríamos imaginar que ha estado en el escritorio del mismo Arquímedes, pero también podría ser una nave espacial futurista en busca de planetas distantes. El rotor de Arquímedes puede convertir un movimiento lineal en un movimiento rotativo y viceversa. También funciona como un mecanismo disipador. Esto quiere decir que el rotor puede ser utilizado como molino de viento – agua, como un ventilador o un hélice de barco. The Archimedes rotorblade is a flat Surface elongated to give it depht and, therefor its shape perceived to have volumen. From a sheet of paper one can obtain the spatial from of an Archimedes rotor blade by turning anda simultaneously stretching out a cutout of the plane between a circle with radius R and a flat spiral Las turbinas de viento están divididas en 2 tipos: de resistencia y de ascenso. El rotor de tipo resistencia, es generalmente hecho por superficies planas con una relación de velocidad de alabe menor o igual a 1.

Esta relación de

velocidad de alabe es la proporción entre la velocidad del alabe y la velocidad del viento. TRS= velocidad del alabe/velocidad del viento El viento intenta empujar el rotor a distancia. Puedes comparar esto con un bote que se mueve con pedales. El bote nunca se moverá más rápido que la velocidad en que los pedales se mueves a través del agua. Ejemplos de turbinas de viento de tipo resistencia son el Rotor de Savonius, Turby y la Turbina de viento Americana. El segundo tipo de turbina de viento, trabaja en armonía con el principio de ascenso. El aspa trabaja como un ala de avión, generando una fuerza de elevación en relación a la misma. Semejante aspa requiere un mayor grado de precisión y acabado. El rango de velocidad del alabe en este caso es mayor a 1. La relación de velocidad del aspa es por lo tanto mayor a la velocidad del viento. Una velocidad relativa superior supone mayor eficiencia, pero también es relacionada con mayor ruido y diseños más robustos y pesados. Particularmente los pájaros vuelan por el principio de elevación. Las alas de los pájaros están formadas como las alas de los aviones (o viceversa, los pájaros son obviamente más antiguos que las aeronaves) y proporcionan el ascenso. Las alas, en la mayoría de los casos son paralelas a la dirección del viento. El conjunto de resistencias y el principio de ascenso es un fenómeno natural. Insectos como las abejas pueden generar ambas resistencias y ascender con sus alas compuestas de membranas planas. Los murciélagos pueden adaptar una técnica similar, cambiando la dirección del flujo del aire en relación al ángulo de sus alas, esto hace que sea posible la elevación y a la vez la resistencia. EL ROTOR DE ARQUÍMEDES: El rotor de Arquímedes tiene las características de ambos. El aspa está construida por hojas planas, puede trabajar bajo un amplio rango de error, produce bajo sonido (menor a 42 dB) y es liviano. Todas son características de las resistencias de un tipo de rotor. En contraste, la relación de velocidad de un

alabe es mayor a 1, y su eficiencia es extremadamente alta, lo que es característico del tipo de ascenso. La eficiencia del alabe ha sido mesurada por medio de simulaciones computacionales, test de campo y túnel de viento, alrededor de un 52%. Esto significa que el 52% de la energía cinética disponible en el viento es transformada en movimiento rotacional. La eficiencia máxima teóricamente factible es 59%, el llamado “Betz Limit”. A pesar de la fricción de los rodamientos y la obstrucción a causa de su estructura, el rotor de Arquímedes es capaz de extraer el 88% de la energía teóricamente variable del viento. Se puede aprovechar la energía del viento conduciendo la corriente hacia un asimiento general, pero también podemos aprovechar la energía del viento reorientando su flujo 90 grados con respecto a su dirección original. Relativamente hablando, la corriente de viento se ha estancado en su dirección original. Las 3 leyes de Newton dicen que para cambiar la dirección de un objeto con un movimiento rectilíneo se requiere fuerza. En todos los tipos, la corriente de aire dentro de la turbina eólica se complica. Se complica tanto que la simulación computacional solo da una impresión general de movimientos dentro y alrededor del rotor de Arquímedes. El ángulo en el cual el viento es cortado por el rotor de Arquímedes cambia continuamente durante la rotación. La corriente de aire introducida y la resistencia entre las aspas también cambia como consecuencia. Durante la rotación, los alabes parecieran moverse hacia atrás. Mientras las fuerzas estacionarias son distribuidas a través de todo el alabe. Durante la rotación se revela un complejo patrón de fuerza. EL MECANISMO DE ORIENTACION La forma del alabe también asegura que el aspa gire automáticamente en la más optima dirección del viento. El método para encontrar la óptima dirección del viento es innecesario, incluso cuando el flujo de aire hacia el rotor se bloquee de forma inesperada. EL GENERADOR

Es un generador de alto voltaje y puede alcanzar hasta 400 volts. La desventaja de un generador con tan alto voltaje, es la eficiencia relativamente mayor y perdidas inferiores

en el cobre, las cuales ocurren durante el

transporte de energía a través de los cables de alimentación de este material (comparado con los generadores de bajo voltaje). Adicionalmente a esto, el riesgo de sobrecalentamiento es reducido al mínimo. CARACTERISTICAS DE SEGURIDAD La turbina de viento de Arquímedes tiene varias características de seguridad que hacen seguro su funcionamiento. Tanto el generador y los frenos tienen un modo automático y un modo manual. El regulador, establece un límite superior en el número de rotaciones por minuto (RPM). Esto previene que el rotor genere una rotación tan rápida. El molino también puede ser detenido manualmente por medio del generador, la llamada “parada de emergencia”. Un freno electrónico es instalado en la parte trasera de la máquina, el cual se rige por un regulador que mide la real velocidad del viento. Cuando la velocidad del viendo excede cierto volumen (e.g. 15 m/s) el freno eléctrico se activa. Solo cando la velocidad del viento alcanza un límite inferior (digamos, 10m/s) el freno eléctrico se activa nuevamente. De esta forma el regulador previene que las ráfagas de viento hagan girar el molino demasiado rápido. El freno también puede ser activado de forma manual, con el fin de detener la máquina. DE QUE FORMA TODO ESTO SE LLEVO A CABO Una pregunta sigue sin respuesta, ¿cómo se llevó a cabo el diseño? Einstein dijo: “cuanto más observemos la naturaleza, mejor entenderemos el mundo. Como humanos somos parte de la naturaleza, por lo que estoy convencido de que todos tenemos el mismo conocimiento”. Platón confirmó esto cuando afirmó que cada persona ya tiene el conocimiento, pero que este conocimiento puede ser utilizado solo si nos formulamos a nosotros mismos las preguntas correctas. O, ¿Puede ser que el conocimiento no es más que el redescubrimiento de información olvidada?

En cualquier caso, el trabajo de Arquímedes me la la inspiración y las herramientas para realizar el trabajo. Bajo mi estimación, una vez que te apegas a las reglas de la geometría y simetría nunca terminarás perdido o en envuelto en un acertijo. En mi opinión en “El trabajo de Arquímedes” el calor es la base, pero a la vez también amplía nuestro conocimiento sobre aviones y sus relaciones con distintos tipos de volumen. Arquímedes usa un método fijo en todos sus trabajos. Esto incluye la creación de dar forma y volumen a una superficie plana girando o tirando de su eje central. La superficie plana esta siempre representada por un borde de un cono. Esto nos conduce a un triángulo, circulo, elipse, parábola, línea y punto. Un triángulo girado a través de un eje central produce un cono. Un semicírculo que rota alrededor de un eje central produce un domo, pero un circulo dibujado a lo largo de su eje central se convierte en un cilindro. Girando o tirando una forma con superficie plana nos dará como resultado una figura en espiral.

A

excepción de la bobina, Arquímedes experimentó con todo tipo de forma plana en relación a su diseño. La forma plana y unidimensional de un espiral no lo llevó en todos sus seguimientos a encontrar una forma espacial. El solo hecho de girar o tirar un espiral no lo convierte en una forma valida de volumen. Coincidencias o inclusiones son resultados de una sola acción. No obstante, las extensiones de su método nos llevan a una nueva figura espacial matemática, sujeta también a teorías en común. Adicionalmente, llevar a cabo este trabajo requiere una excesiva y “poco saludable” cantidad de trabajo, suerte y una buena asociación. No recomiendo un desafío de tal magnitud a cualquiera. El rotor, en nuestra primera patente concedida en 2006, tuvo un ángulo de apertura de 30 grados y Pi número de revoluciones. Fueron examinadas dos formas de suspensión y mediciones de resistencias separadas. El rotor, en el primer tipo de suspensión fue apoyado tanto en su parte delantera como trasera. En el segundo tipo fue solo apoyado en la parte trasera. Los valores de resistencia de suspensión fueron y pueden ser medidos por separado. En marzo del 2007 las pruebas llevadas a cabo por “Tu Delft`s” mostraron un un perfil de resistencias muy distinto. Donde la resistencia aumento de forma

exponencial en los casos normales, las figuras de “Tu Delft`s” mostraron un perfil muy distinto que es mejor descrito como una relación proporcional de resistencia. No se encontraron explicaciones. También muestran un amplio rango de velocidad del alabe y ángulos de ataque que permitirían que este modelo

funcione

óptimamente.

La

eficiencia

de

este

modelo,

fue

aproximadamente de un 10%. Para poder explicar los resultados teóricos desviados, se señaló que es necesaria más investigación. En el 2009, el centro de investigación de viento “Peutz” testeó un modelo mejorado. La suspensión consistía en una simple unión en la parte trasera del rotor. Pesas de plomo fueron dispuestas en el anillo exterior del rotor, con el fin de equilibrar el modelo. Este modelo se rompió a los 21 m/s debido a que no fue capaz de resistir las fuerzas rotacionales causadas por los contrapesos de plomo. Es ahí donde decidieron cortar el modelo. El número de revoluciones a lo largo del eje del rotor fue aproximadamente 1 y su ángulo de apertura de 30 grados. Eso afectó positivamente la eficiencia del modelo, que aumentó aproximadamente un 15%. La investigación de “Peutz” apuntó hacia un número menor de revoluciones que, sin embargo, también supuso un cambio en el ángulo de apertura y en la longitud del eje. El modelo, con solo una revolución conduce a un ángulo de apertura de 60 grados, que fue completada virtualmente en el año 2010. En este año también fue presentada una solicitud de patente del nuevo modelo. Los estudios que fueron realizados (CFD), mostraron una eficiencia alrededor del 25%. Sin embargo, en el túnel de viento de nuestro primer prototipo se registró una eficiencia de un 28%. Este modelo,

no obstante, se rompió a los 7m/s. Se

aplicaron mejoras y refuerzos al modelo. Durante dos siguientes años, la eficiencia del motor se elevó a un sorprendente 52%. Se realizaron mediciones continuamente para confirmar los resultados logrados, asi como también determinar las consecuencias de un posible efecto de bloqueo. Los resultados de estas mediciones fueron los mismos en cada situación. Todos los test fueron realizados con la misma suspensión, con soportes en ambos lados y con equipos de medición calibrados. No se realizó medición de resistencia, pero fueron determinadas por medio de cálculos (CFD). Los cuales mostraron que el coeficiente de resistencia es de aproximadamente 0.9. La investigación de CFD

y túneles de viento también confirmaron la amplia gama de rangos de velocidades del alabe y grandes ángulos de ataque. Le debemos mucho a nuestro compañero coreano “Esco RTS”. A pesar de que según los expertos en los países bajos no podría funcionar, ser construido y ciertamente no ser producido, hemos hecho lo imposible en colaboración con la gente

de

“Esco

RTS” y

la Universidad

de

Pusan

para

lograrlo.

Mis

agradecimientos van naturalmente hacia esa gente, sin ser menos aquellos que también merecen mis gratitud. NOTAS - LA TEORÍA En mi opinión el trabajo de Arquímedes en sí, no son libros separados o un sumario de su vivencia. Hemos tratado de situar este trabajo en un contexto histórico. La fuerza es la combinación de varias teorías, por lo cual es llamada COMBINATORIA. La evolución y la historia de todo el trabajo de Arquímedes se necesita para entender esto. Aquí hay dos ejemplos de su forma de pensar basado en solo dos proposiciones del libro “cuerpos flotantes”.