WinDIY - El aerogenerador de la impresora 3D

En un viaje de campamento lejos de la infraestructura moderna, rápidamente se da cuenta de lo acostumbrado que está al hecho de que la electricidad está disponible en cualquier momento y en cualquier lugar. Lo estúpido: esto suele notarse cuando no hay electricidad. 

Para este caso ahora existen los power banks. Pero, ¿y si el banco de energía está vacío? La carga sobre la marcha es difícil sin electricidad. 

Enfrenté el mismo problema hace unos años durante un viaje de campamento. En ese momento incluso tenía una celda solar móvil conmigo. Esto proporcionó algo de energía, pero no suficiente debido a la falta de sol. El sol simplemente no brillaba lo suficientemente fuerte. Lo que tenía en contra era el viento. 

Y así nació la idea de construir una turbina eólica que puedas producir tú mismo con una impresora 3D.

Olvidada al principio, esta idea cobró nuevo impulso cuando me topé con unos imanes de neodimio en el mercado de pulgas. Por poco dinero compré allí imanes con los que sin duda se puede construir un generador adecuado.

Con el tiempo, esto dio como resultado el proyecto que aquí se presenta. A continuación también encontrará instrucciones de montaje detalladas para los componentes individuales.

Importante: El aerogenerador aún no funciona perfectamente (11 de octubre de 2020). Todavía hay que ajustar las palas y el generador no acaba de coincidir con las características del aerogenerador. Así que todavía tengo trabajo que hacer aquí. Pero tal vez Hasta entonces, los componentes que se muestran son una sugerencia para cualquiera que esté trabajando en su propio diseño de una turbina eólica impresa en 3D. 🙂


descripción general

  • Turbina eólica hecha con piezas impresas en 3D
  • diseño HAWT
  • Diámetros de rotor de 0,5 a 1,2 m posibles
  • alas impresas en 3D
  • Utiliza un generador de discos impresos en 3D para generar energía.
  • Funciones de seguridad a través del ajuste de paso activo de las alas, freno mecánico y función de freno electrónico a través del generador de discos
  • Se puede imprimir con cualquier impresora FDM “normal” (tamaño de cama de 20 x 20 cm).

vídeos

Fotos

A continuación se muestran algunas imágenes de diferentes componentes de diferentes etapas de desarrollo.


Desarrollo

Documenté la mayor parte del desarrollo y las dificultades individuales en Hackaday.io. Puedes encontrar el link aquí. 🙂

https://hackaday.io/project/172328-windiy-hawt-wind-turbine


Instrucciones para construir usted mismo

La estructura de WinDIY consta de varios segmentos individuales. Dado que todas las partes se pueden imprimir en una impresora 3D con un área de impresión de 20x20 cm, las partes individuales aún deben ensamblarse después de la impresión.

Se utilizan principalmente tornillos y tuercas M3 para no utilizar demasiadas piezas diferentes. Las listas detalladas de materiales se pueden encontrar en el artículo correspondiente.


Electrónica

Como se mencionó anteriormente, WinDIY tiene algunas características de seguridad. Para que estos puedan ser controlados de manera controlada, por supuesto, algunos componentes electrónicos son necesarios. Para ello comencé con el desarrollo de una placa de circuito en la que se alojan todos los componentes necesarios.

Los siguientes componentes se han instalado en él hasta ahora:

  • Puente rectificador de tres vías
  • Control de reducción
  • Tres circuitos de carga independientes para una celda LiPo cada uno
  • Tres controladores de motor I2C para controlar los motores del actuador de freno y el actuador de paso
  • Varios sensores de corriente y voltaje para medir la energía generada y consumida
  • Conexiones para dos sensores Hall para medir la velocidad del generador
  • Conexiones para tres resistencias deslizantes para poder medir las posiciones del actuador de paso y del cilindro de freno
  • Conexiones para dos sensores de fuerza para medir la presión de contacto de los cilindros de freno
  • Conexiones para cuatro NTC para medir las temperaturas de los devanados del generador y la resistencia de carga.
  • Conexión para poder disipar la tensión rectificada a un consumidor
  • Conexión y electrónica para poder encender una resistencia de carga controlada por PWM.
  • Sensor de vibración para detectar vibraciones anormales
  • dos sensores de temperatura para monitorear las temperaturas en la PCB
  • una brújula electrónica
  • una ranura para tarjeta micro SD
  • un sensor climático para medir la temperatura ambiente, la humedad y la presión del aire

software

El software se desarrolla utilizando el IDE de Arduino. Puede encontrar el estado actual en Nerdiy-Git en el siguiente enlace:

https://github.com/Nerdiyde/genCon

6s comentarios

  1. He leído que hay problemas con la velocidad? No estoy 100% seguro de que se produzca el par, pero un engranaje planetario que funcione bien en el nombre del rotor debería aumentar significativamente las RPM y no ocuparía mucho espacio.
    Impresionante proyecto por cierto

    1. hola daniel,
      Gracias por esa sugerencia. 🙂 Actualmente estoy trabajando para simplificar un poco toda la construcción. Ni siquiera tenía todavía el engranaje planetario en mi “lista”. Gracias por el consejo. 🙂
      Atentamente
      Fab

  2. Hola,
    Los imanes están dispuestos en Halbach? Esto aumenta el flujo magnético.
    El puente rectificador de 3 vías es un modelo estándar con doids? Tal vez pruebe con un MOSFET.
    Los diodos siempre consumen algo de voltaje; con los puentes rectificadores, esto es el doble del voltaje directo. Entonces, con los diodos de silicio, pierdes 1.4 voltios.
    Con MosFET no pierdes casi nada: microvoltios.
    Busque "mosfet como diodo" en Google.
    También puede usar este método en el convertidor de voltaje.
    Si hay suficiente par pero no suficiente velocidad, quizás utilice un engranaje planetario. Así lo hacen también los “grandes”.
    Y enrolle las bobinas con más vueltas. Esto aumenta su tensión y obtienes algo de ello incluso a velocidades más bajas.

    1. hola miguel,
      no es un arreglo de Halbach. El generador construido también es bastante simple y no es óptimo debido a que los imanes no encajan realmente. Puede obtener una pequeña impresión aquí: https://nerdiy.de/nerdiskerator-a-generator-from-the-3d-printer/
      También encuentro muy interesante la solución del rectificador MOSFET. Sin embargo, tenía/tengo cierto respeto por el control correcto de los MOSFET y por eso lo ingresé un poco más abajo en “la lista”. Por otro lado, las pérdidas evitadas son bastante interesantes.
      Gracias por tus sugerencias. 🙂
      Atentamente
      Fabian

  3. Siento lo mismo con los MosFET. Cuando estaba entrenando para convertirme en ingeniero electrónico de sistemas de potencia, los primeros MosFET que podían manejar 2 amperios recién salían al mercado. Eran del tamaño de monedas de 2 euros.

    Lo busqué en Google por curiosidad y aburrimiento.
    Aprendí que un rectificador trifásico con MOSfets no es tan fácil como uno con diodos.
    Por ejemplo, 6 diodos son suficientes, pero necesita 12 MosFET. Porque se necesita un puente completo por fase, ya que el control debe tomarse del polo opuesto. Eso no funciona con corriente trifásica...

    Luego encontré otro circuito con un IC de control... LT4320 - también interesante.

    He incluido un enlace que muestra un circuito completo que debería funcionar incluso para CA trifásica, o 4, 5, 6, mucho...
    Allí, cada MosFET tiene su propio pequeño control y puede funcionar con la misma precisión que un diodo.
    Sin embargo, escribe que no pudo iniciar el circuito sin una fuente de alimentación externa para el circuito de control. Pero eso es probablemente cierto para una simulación de software.
    Deberías probarlo.

    https://www.mikrocontroller.net/topic/375657

    Acerca de los engranajes planetarios... Se supone que esto garantiza que el generador gire más rápido para inducir voltajes más altos en las bobinas.
    Así que tuve la idea de colocar un anillo en el exterior de las hélices y colocar allí los imanes. Fuera entonces las bobinas.

    Algunas palabras sobre el número de imanes y bobinas...
    Cualquier número par de imanes. ¡El número de bobinas debe ser menor o mayor en 1!
    Esto reduce enormemente el par de arranque, ya que las fuerzas de retención de los imanes y los núcleos de las bobinas se anulan casi por completo. Pero también necesita muchos diodos/MosFET, dos por bobina.

    Por último, pero no menos importante, puede diseñarlo como una turbina eólica. Es decir, no hay vuelos de hélice en el medio, sino solo en el borde exterior. Un cono en el medio de la turbina dirige el flujo de aire desde el centro de la turbina hacia las alas, y el aire debe rotar justo en frente de las alas para impulsar aún más la hélice.
    Luego póngalo todo en un tubo. Esto evita turbulencias en las puntas de las alas y que el aire desplazado desde el centro simplemente escape hacia el exterior sin impulsar las alas.
    Ahora la pieza se parece a la turbina de un avión, solo que más corta.

    Ok, ahora se vuelve aún más intenso...
    Ahora todo está montado en un mástil. Una rueda dentada está montada en el mástil debajo de la turbina.
    Dos hélices más pequeñas están unidas a la parte inferior de la turbina y deben estar en un ángulo de 90° entre sí. Impulsan un diferencial a través de juntas cardánicas o engranajes cónicos de tal manera que el diferencial se equilibra cuando la hélice está sujeta al mismo flujo, es decir, no gira.
    Si una de las hélices tiene un flujo más fuerte porque la dirección del viento ha cambiado, esta hélice gira más rápido que la otra y el diferencial gira. Se acopla con la rueda dentada unida al mástil y vuelve a girar la turbina hacia el viento.
    La ventaja sobre una aleta es que la turbina gira lentamente hacia el viento y no comienza a agitarse si el viento cambia de dirección de manera inestable.

  4. ¿Son los tornillos de metal en las bobinas como núcleos de hierro?
    Bueno, no está mal para un primer intento.
    Pero es mejor usar chapa de transformador. Así que vamos a la tienda de chapas de transformadores 🙂
    Las láminas de transformadores son discos de hierro delgados que están aislados entre sí y apilados para formar un núcleo de hierro.

    Durante mi formación como técnico en electrónica de centrales eléctricas, a todos se nos permitió construir un transformador.
    Apile el núcleo del transformador incluido, coloque el cuerpo de bobinado de plástico previamente enrollado, suelde la regleta de terminales.
    La máquina de bobinado (manual) siempre mantuvo el alambre bajo tensión. Apretado y apretado es mejor: el flujo magnético disminuye con el cuadrado de la distancia desde el núcleo y con ello la potencia transmitida.

    Un núcleo de ferrita debería dar resultados aún mejores.

    La razón de esto son las corrientes de Foucault en el núcleo de hierro, que surgen cuando el campo magnético también induce corrientes en el núcleo de hierro. Por supuesto, el núcleo los corta inmediatamente, lo que hace que el núcleo de hierro se caliente.
    Este calor ya no se convierte en energía eléctrica...

    Los discos de hierro aislados reducen enormemente las turbulencias de la corriente. Un núcleo de ferrita está hecho de material sinterizado, en el que los torbellinos de corriente sólo tienen un espacio de una fracción de milímetro y, por lo tanto, apenas se “desperdicia” energía.

    Lo único que falta es un convertidor buck-boost para poder generar voltaje utilizable a bajas velocidades y un punto de control óptimo que pueda ajustar la distancia entre los imanes y las bobinas para que siempre se logre la mejor eficiencia a diferentes velocidades del viento.

    Cuando tengas todo listo, preséntaselo a la NASA. ¡Hay más viento que sol en Marte!

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